Японски учени създадоха прототип на настолен ускорител на частици

Екип от учени от Япония постигна пробив в разработването на компактни ускорители на частици. За първи път те демонстрираха увеличаване на мощността на лазера на свободни електрони в екстремния ултравиолетов диапазон на дължини на вълните 27–50 nm с помощта на т.нар. килватерно ускорение, инициирано от лазерен лъч в плазма, което за първи път се случи на отсечка от само няколко милиметра. Това е пътят към настолни ускорители, които ще прокарат науката далеч напред.

Днес ускорителите на електрони, които са в основата на синхротроните са системи с периметър до няколкостотин метра, понякога достигащи и километър. Това прави изследванията с използване на ускорители достъпни за относително малък брой учени. От своя страна, настолните ускорители ще помогнат за научни пробиви дори на ниво малки лаборатории.

Ускорителят на електрони е интересен като източник на вторично рентгеново излъчване. Експериментът с ултравиолетово излъчване е стъпка в правилната посока. Благодарение на по-късата дължина на вълната на кохерентната рентгенова светлина и за сметка на повишаването на нейната енергия в компактния ускорител ще се повиши разделителната способност на получаваната картина – атомната структура на материалите, структурата на клетките и всичко, към което ще бъде насочен този лъч. Подобни ускорители ще позволят буквално да надникнем в същността на нещата и организмите.

Ключов успех в разработването на компактната инсталация беше получаването на стабилни моноенергийни електронни снопове с висока енергия благодарение на усъвършенстваната форма на лазерния импулс, повишаваща точността на фокусиране, и специално разработените свръхзвукови газови дюзи, осигуряващи устойчиви плазмени фронтове. В резултат на това изследователите успяха да постигнат усилване на лазера на свободни електрони в екстремния ултравиолетов диапазон. Технологията използва плазмени полета, които са хиляда пъти по-силни от полетата на традиционните ускорители, съкращавайки траекторията за ускорение от стотици метри до милиметри.

Методът се основава на фокусирането на мощен лазерен импулс върху свръхзвукова газова струя, което създава плазма и формира вълни, ускоряващи електроните почти до скоростта на светлината. Полученият лъч от електрони след това се транспортира в ондулатор – магнитна структура, където електрони вибрират и генерират кохерентно лазерно излъчване. Повишаването на стабилността на плазмата позволи да се преодолеят предишните проблеми, свързани с неконтролируемото поведение на плазмената среда.

Това откритие приближава създаването на компактни рентгенови лазери на свободни електрони, способни да генерират лъчение, 10 милиарда пъти по-ярко от Слънцето, с продължителност на импулсите от порядъка на фемтосекунди, но в условия на обикновена лаборатория. Такива устройства обещават революция в изследванията в областта на биологията, материалознанието, разработката на полупроводници и квантовите технологии.