Прямое наблюдение сильно нелинейных плазменных волн
Исследователи из Института науки Вейцмана (WIS) в Израиле недавно разработали метод прямого наблюдения лазерных и нелинейных релятивистских плазменных волн в режиме реального времени. Используя этот метод, представленный в статье, опубликованной в Nature Physics, они смогли охарактеризовать нелинейную плазму с невероятно высоким временным и пространственным разрешением.
Сильно нелинейная плазменная волна (зеленый цвет), возбуждаемая мощным лазерным импульсом, достигает точки разрушения волны, где часть электронов плазмы (красный цвет) захватывается кильватерным полем и ускоряется. Фото: Игорь Андрияш, Ян Ван и Виктор Малка.
За последние несколько десятилетий физики и инженеры пытались создать все более компактные лазерно-плазменные ускорители, технологию для изучения взаимодействия материи и частиц, возникающего при взаимодействии сверхбыстрых лазерных лучей и плазмы. Эти системы являются многообещающей альтернативой существующим крупномасштабным машинам на основе радиочастотных сигналов, поскольку они могут гораздо эффективнее ускорять заряженные частицы.
Хотя лазерно-плазменные ускорители еще не получили широкого распространения, несколько исследований выявили их ценность и потенциал. Однако для оптимизации качества ускоренного лазерного луча, создаваемого этими устройствами, исследователям потребуется возможность отслеживать несколько сверхбыстрых физических процессов в режиме реального времени.
Исследователи из Института науки Вейцмана (WIS) в Израиле недавно разработали метод прямого наблюдения лазерных и нелинейных релятивистских плазменных волн в режиме реального времени. Используя этот метод, представленный в статье, опубликованной в Nature Physics, они смогли охарактеризовать нелинейную плазму с невероятно высоким временным и пространственным разрешением.
«Визуализация микрометрической лазерной плазменной волны, движущейся со скоростью света, очень сложна, что подразумевает использование сверхкоротких импульсов света или сгустков заряженных частиц», — сказал Ян Ван, один из исследователей, проводивших исследование, рассказал Phys.org. «В то время как свет может выявить структуры в плотности плазмы, пучки частиц исследуют внутренние поля плазменных волн и, таким образом, могут дать нам гораздо больше информации о состоянии этих волн, то есть об их способности вводить и ускорять электроны плазмы».
Недавняя работа Вана и его коллег основана на предыдущем проверочном исследовании, которое он провел со своей бывшей исследовательской группой в Университете Цинхуа в Китае. Это предыдущее исследование по существу подтвердило возможность визуализации более слабых линейных синусоидальных волн (то есть естественных представлений о том, как много вещей и систем в природе изменяют свое состояние с течением времени).
«Для непосредственного наблюдения высоконелинейной плазменной волны, которая чаще всего используется для ускорения электронов, мы построили два мощных лазерно-плазменных ускорителя, используя нашу двойную лазерную систему мощностью 100 ТВт в WIS», — пояснил Ван. «Эта система создает высокоэнергетический зонд с высокозарядными электронами, а другая создает сильно нелинейное плазменное кильватерное поле, которое необходимо исследовать. нелинейные плазменные волны».
Первоначальной целью эксперимента, проведенного Ваном и его коллегами из WIS, было детальное наблюдение плазменных волн. Однако после этого команда поняла, что нелинейные плазменные волны отклоняют пробные частицы более интересным и удивительным образом, действуя как через электрические, так и через магнитные поля.
«При расшифровке этой информации с помощью теоретических и числовых моделей мы определили особенности, которые напрямую коррелируют с плотным электронным всплеском в задней части сформировавшегося «плазменного пузыря», — сказал Ван. «Насколько нам известно, это первое измерение таких тонких структур внутри нелинейной плазменной волны».
Впоследствии Ван и его коллеги увеличили мощность лазера-драйвера, использовавшегося в их эксперименте. Это позволило им идентифицировать так называемый «опрокидывание волны», состояние, после которого плазменная волна больше не может расти, поэтому вместо этого она захватывает электроны плазмы в своем ускоряющем поле. Обрушение волны — фундаментальное физическое явление, особенно в плазме.
«Первое важное достижение нашей работы — визуализация чрезвычайно сильных полей релятивистской плазмы, поскольку она использует уникальную особенность таких лазерно-плазменных ускорителей — длительность пучка в несколько фемтосекунд и микрометровый размер источника луча, которые обеспечивают ультра — высокое пространственно-временное разрешение для съемки микроскопических явлений, движущихся со скоростью света », — сказал Ван. «Визуализируя плазменную волну, мы также непосредственно наблюдали тонкий процесс «разбивания волны», что само по себе было замечательным опытом».
Примечательно, что измерения, полученные этой группой исследователей, невозможно было бы получить с помощью любого из существующих обычных ускорителей, основанных на радиочастотной технологии. Таким образом, в будущем их работа может вдохновить другие команды на разработку аналогичных экспериментальных методов для дальнейшего наблюдения многих нюансов плазмы.
«Разрушение волн также имеет решающее значение для плазменных ускорителей из-за производства релятивистских электронов в результате самоинжекции», — сказал Ван. «Этот механизм инжекции весьма важен в одноступенчатых ускорителях на несколько ГэВ, где трудно поддерживать управляемую инжекцию в течение длительного времени работы».
Эта недавняя работа Вана и его коллег может иметь множество важных последствий для разработки и использования лазерно-плазменных ускорителей. В частности, он представляет ценный инструмент для идентификации процесса самоинжекции электронов в режиме реального времени, что позволит исследователям точно настраивать ускорители и улучшать качество их пучков.
«Теперь у нас есть уникальный и мощный инструмент для исследования экстремальных полей для исследования многих других фундаментальных вопросов в более широком диапазоне параметров плазмы, которые имеют отношение к физике, включая кильватерное поле, управляемое пучком частиц, взаимодействие пучка с плазмой и динамику плазмы, связанную с термоядерным синтезом». Об этом Phys.org сообщил профессор Виктор Малка, главный исследователь исследования и ведущий исследователь группы. «Будущее очень захватывающее, и нам не терпится углубиться в исследование богатых явлений в физике плазмы».
