Немецкие ученые добились стабильной работы лазерно-плазменного ускорителя электронов в течение более чем 27 часов. Непрерывная работа установки позволила сузить флуктуации параметров ускорения и набрать большую статистику, из которой исследователям удалось вычленить корреляцию между параметрами лазера и колебаниями максимальной энергии электронов. В результате физики научились моделировать колебания конечной энергии частиц с точностью до десятых процента. В будущем такой метод может помочь реализовать активную стабилизацию пучка электронов прямо в процессе ускорения, которая необходима для применения лазерно-плазменных ускорителей в прикладных и научных целях. Статья опубликована в журнале Physical Review X.
В современных ускорителях заряженные частицы приобретают энергию в радиочастотных резонаторах, которые прошли длинный путь от простейших установок до сверхпроводящих систем с замысловатой геометрией и сложнейшей технологией производства. Все это выливается в крайне высокую стоимость таких резонаторов, а фундаментальные ограничения на достигаемые в них поля не дают ускорять частицы с темпом больше, чем несколько десятков мегаэлектронвольт на метр. В результате с увеличением желаемой энергии частиц неизбежно растут размеры и цены установок.
Чтобы решить эти проблемы, физикам нужно найти принципиально новые способы ускорения частиц. Наиболее перспективным пока что является метод лазерно-плазменного ускорения, который ученые уже научились использовать для электронов и достигли в два раза большего темпа ускорения, чем на установках с радиочастотными резонаторами. В рамках этого метода электроны приобретают энергию в поле, которое формируется вызванными лазером колебаниями плазмы и связанным с ними перераспределением пространственного заряда. Таким образом, в лазерно-плазменных ускорителях электрон «цепляется» за волны плазмы и за счет существующей в них разности потенциалов увеличивает свою скорость.
Однако у этого метода есть несколько существенных недостатков: из-за тяжело контролируемых флуктуаций параметров установки физикам пока что не удается достигнуть стабильного ускорения на большом расстоянии до действительно высоких энергий, характерных для методов с использованием резонаторов. Эти флуктуации в работе лазерно-плазменных ускорителей возникают из-за того, что формально для каждого нового сгустка электронов создается новая ускоряющая емкость, на параметры которой, а значит и на конечную энергию электронов, сильно влияют колебания характеристик лазера. В результате пучки электронов высокого качества (с малым разбросом по энергиям как в поперечном сечении, так и по оси пучка) на лазерно-плазменных ускорителях получаются крайне редко и с высокой долей случайности.
Эту проблему и попыталась решить группа Андреаса Майера (Andreas Maier) из Гамбургского университета на лазерно-плазменном ускорителе LUX. Установка была создана с минимальным количеством степеней свободы, чтобы уменьшить возможные флуктуации, а оставшиеся неизбежные колебания параметров лазера и энергии электронов тщательно отслеживались с помощью многостадийной системы мониторинга. Майер и коллеги ставили в приоритет не энергию или темпы ускорения, а его качество и продолжительность: в этих целях установка работала не на максимальной энергии лазера, что уменьшило переносимый заряд, а также пространственное и импульсное поперечное сечения пучка. Конечную энергию ускоренных электронов ученые узнавали с помощью спектрометра с разрешением в 1 процент от средней максимальной энергии в пучке.
Физикам удалось добиться стабильной работы ускорителя в течение более чем 27 часов, за это время было последовательно ускорено 100000 сгустков электронов, которые подавали в ускоритель с частотой в 1 герц. Такой результат на порядок превосходит достижения предыдущих подобных исследований, и позволил авторам достигнуть высокой точности в работе с набранной статисткой. Средняя максимальная энергия электронов в пучке составила 368 мегаэлектронвольт с колебаниями в 2,4 процента, средний заряд в пучке — 25 пикокулон с колебаниями в 11 процентов, а средний разброс энергии в пучке — 54 ± 15 мегаэлектронвольт.
Отдельное внимание ученые уделили анализу колебаний в установке и их моделированию с последующим сопоставлением с реальными данными. Физики использовали данные за 2 часа работы ускорителя, чтобы установить главные причины флуктуаций и их связь с максимальной энергией в сгустке электронов. Этими причинами в первую очередь оказались энергия лазера, продольное положение фокуса лазера и направление лазера при попадании на фокусирующий элемент. Учтя собранные зависимости, исследователи создали модель, которая по регистрируемым параметрам лазера предсказывала значения максимальной энергии электронов в пучке с погрешностью меньше 1 процента в течение 6 часов дальнейшей работы ускорителя.
Смоделированные по параметрам лазера (желтая линия) и измеренные в эксперименте (синяя линия) значения средней максимальной энергии электронов в пучке. Серыми прямоугольниками обозначены временные отрезки, данные которых использовались для настройки моделирования.
Авторы указывают на то, что созданная модель описывает не все возможные факторы колебаний, так как смоделированные флуктуации составили 1,9 процента против зарегистрированных 2,4 процента. Таким образом, улучшение и дополнение представленного подхода моделирования флуктуаций внутри установки может позволить добиться еще более точных предсказаний. Физики также указывают на важность проведения подобных экспериментов и создания схожих моделей, чтобы в будущем научиться активно подавлять колебания продольных и поперечных импульсов электронов в методе лазерно-плазменного ускорения. Ведь до появления способов «охлаждения» электронных пучков в ускорителях нового типа последние вряд ли смогут использоваться в реальных задачах.
Ранее физики уже представили проект европейского лазерно-плазменного ускорителя для прикладных задач, а также усовершенствовали метод ускорения электронов с помощью лазера, но без участия плазмы. Про то, как будущее ускорительной техники видят в ЦЕРНе, мы рассказывали в материале «100 ТэВ на перспективу».
Комментарии