Эта газовая ячейка является ключевым компонентом компактного лазерного ускорителя кильватерного поля, разработанного в Техасском университете в Остине. Внутри чрезвычайно мощный лазер воздействует на газообразный гелий, нагревает его до состояния плазмы и создает волны, которые выбивают электроны из газа в виде высокоэнергетического электронного луча.
Фото: Бьорн «Мануэль» Хегелич.

Ускорители частиц обладают огромным потенциалом для применения в полупроводниках, медицинской визуализации и терапии, а также исследований в области материалов, энергетики и медицины. Но традиционные ускорители требуют большого пространства (километров), что делает их дорогими и ограничивает их присутствие горсткой национальных лабораторий и университетов.

Исследователи из Техасского университета в Остине, нескольких национальных лабораторий, европейских университетов и техасской компании TAU Systems Inc. продемонстрировали компактный ускоритель частиц длиной менее 20 метров, производящий электронный луч с энергией 10 миллиардов электронвольт (10 ГэВ). В настоящее время в США действуют только два других ускорителя, которые могут достичь таких высоких энергий электронов, но длина обоих составляет около 3 километров.

«Теперь мы можем достичь этих энергий в 10 сантиметров», — сказал Бьорн «Мануэль» Хегелич, доцент кафедры физики UT и генеральный директор TAU Systems, имея в виду размер камеры, в которой был произведен луч. Он является старшим автором недавней статьи, описывающей их достижения в журнале Matter and Radiation at Extremes.

Хегелич и его команда в настоящее время изучают возможность использования своего ускорителя, называемого усовершенствованным лазерным ускорителем кильватерного поля, для различных целей. Они надеются использовать его для проверки того, насколько хорошо космическая электроника может противостоять радиации, для получения трехмерных изображений внутренних структур новых конструкций полупроводниковых чипов и даже для разработки новых методов лечения рака и передовых методов медицинской визуализации.

Чертеж компактного лазерного ускорителя кильватерного поля, разработанного в Техасском университете в Остине. Лазерный луч входит с правой стороны и попадает в газовую ячейку, где создается электронный луч, который в конечном итоге попадает на два сцинтилляционных экрана (DRZ1 и DRZ2) для анализа с левой стороны.
Предоставлено: Техасский университет в Остине.

Этот тип ускорителя также можно использовать для управления другим устройством, называемым рентгеновским лазером на свободных электронах, которое могло бы снимать замедленные фильмы процессов на атомном или молекулярном уровне. Примеры таких процессов включают взаимодействие лекарств с клетками, изменения внутри батарей, которые могут привести к их возгоранию, химические реакции внутри солнечных панелей и изменение формы вирусных белков при заражении клеток.

Концепция лазерных ускорителей кильватерного поля была впервые описана в 1979 году. Чрезвычайно мощный лазер воздействует на газообразный гелий, нагревает его до состояния плазмы и создает волны, которые выбивают электроны из газа в виде высокоэнергетического электронного луча.

За последние пару десятилетий различные исследовательские группы разработали более мощные версии. Ключевое достижение Хегелича и его команды основано на наночастицах. Вспомогательный лазер поражает металлическую пластину внутри газовой ячейки, которая впрыскивает поток металлических наночастиц, что увеличивают энергию, передаваемую электронам от волн.

Лазер подобен лодке, плывущей по озеру, оставляющей за собой след, а электроны катаются на этой плазменной волне, как серферы.

«Трудно попасть в большую волну, не потеряв силы, поэтому вейксерферов затягивают водные мотоциклы», — сказал Хегелич. «В нашем ускорителе эквивалентом гидроцикла являются наночастицы, которые высвобождают электроны в нужный момент и в нужное время, поэтому все они находятся там, в волне. Мы получаем гораздо больше электронов в волну, когда и где мы хотим они должны быть, а не статистически распределены по всему взаимодействию, и это наш секретный соус».

Чертеж газовой камеры. Внутри чрезвычайно мощный лазер воздействует на газообразный гелий, нагревает его до состояния плазмы и создает волны, которые выбивают электроны из газа в виде высокоэнергетического электронного луча. Наночастицы, генерируемые вторичным лазером, светящим через верхнее окно и ударяющим о металлическую пластину, увеличивают энергию, передаваемую электронам.
Предоставлено: Техасский университет в Остине.

Для этого эксперимента исследователи использовали один из самых мощных в мире импульсных лазеров, Техасский петаваттный лазер, который расположен в Университете Техаса и излучает один сверхинтенсивный импульс света каждый час.

Один петаваттный лазерный импульс содержит примерно в 1000 раз большую установленную электрическую мощность в США, но длится всего 150 фемтосекунд, что составляет менее миллиардной доли длительности грозового разряда.

Долгосрочная цель команды — управлять своей системой с помощью лазера, который помещается на столе и может многократно стрелять с тысячами раз в секунду, что делает весь ускоритель гораздо более компактным и пригодным для использования в гораздо более широких условиях, чем в обычном ускорителе.

Соавторами исследования являются Константин Аникулазеи, автор-корреспондент Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия; и Тхань Ха, аспирант UT и исследователь TAU Systems. Другими преподавателями UT являются профессора Тодд Дитмайр и Майкл Даунер.

Хегелич и Аникулаэсей подали заявку на патент, описывающую устройство и метод генерации наночастиц в газовой ячейке. Компания TAU Systems, созданная на базе лаборатории Хегелича, имеет исключительную университетскую лицензию на этот основополагающий патент.