فناوری جدیدی که شتاب‌دهنده‌های لیزر پلاسما را کوچکتر و ارزان‌تر می‌کند
به گزارش آنا، دانشمندان DESY گام بزرگی در بهینه‌سازی شتاب‌دهنده‌های لیزر پلاسما برداشته‌اند، فناوری که می‌تواند انقلابی در شتاب‌دهنده‌های ذرات ایجاد کند و آنها را کوچکتر، ارزان‌تر و کاربردی‌تر سازد.
موفقیت اخیر آنها در استفاده از یک سیستم هوشمندانه تصحیح مغناطیسی، کیفیت پرتو را به طور چشمگیری بهبود داده است. این سیستم تنوع انرژی را کاهش داده و سازگاری و ثبات را افزایش داده است. با این پیشرفت‌ها، شتاب‌دهنده‌های لیزر پلاسما می‌توانند به زودی به نیروی محرکه‌ای برای کاربردهای پیشرفته مانند منابع اشعه‌ی ایکس نسل آینده تبدیل شوند که هم پژوهش و هم پزشکی را دگرگون خواهند کرد.
گامی بلند به سوی شتاب‌دهنده‌های فشرده
شتاب‌دهنده‌های لیزرپلاسما یک فناوری جدید و پیشرفته هستند که می‌توانند انقلابی در دنیای شتاب‌دهنده‌های ذرات ایجاد کنند. این فناوری به ما امکان می‌دهد دستگاه‌هایی بسیار کوچکتر و سبک‌تر بسازیم که می‌توانند کاربردهای جدیدی را در زمینه‌های مختلف مثل پژوهش‌های علمی، صنعت و مراقبت‌های بهداشتی ممکن سازند. به طور ساده، این دستگاه‌ها ذرات را در فضای بسیار کوچک و در زمان کوتاهی به سرعت‌های بالا می‌رسانند. این موضوع باعث می‌شود که دیگر نیازی به شتاب‌دهنده‌های عظیم و گران‌قیمت قدیمی نباشد.
با این حال، سیستم‌های نمونه‌ی فعلی همچنان با چالش‌هایی رو‌به‌رو هستند، به‌ویژه در تولید پرتو‌های الکترونی با کیفیت بالا که دارای ثبات و دقت لازم برای استفاده در دنیای واقعی باشند.
به گزارش scitechdaily، محققان آزمایش LUX در مرکز DESY اکنون گام بزرگی به جلو برداشته‌اند. با اجرای یک سیستم تصحیح هوشمند، آنها کیفیت بسته‌های الکترونی تولیدشده توسط شتاب‌دهنده‌ی لیزر-پلاسمای خود را به طور قابل توجهی بهبود دادند. این پیشرفت فناوری را به کاربردهای عملی نزدیک‌تر کرده است، مانند استفاده به عنوان یک تزریق‌کننده‌ی فشرده برای حلقه‌های ذخیره‌سازی سنکروترون. تیم تحقیقاتی یافته‌های خود را در تاریخ ۹ آوریل در مجله‌ی Nature منتشر کرد.
چگونگی کارکرد شتاب‌دهنده‌های لیزرپلاسما
شتاب‌دهنده‌های الکترونی سنتی بر امواج رادیویی که از طریق حفره‌های تشدید خاص ارسال می‌شوند، تکیه می‌کنند تا انرژی به الکترون‌ها منتقل شود. برای دستیابی به انرژی‌های بالا، این سیستم‌ها باید در سری‌های طولانی ساخته شوند که این امر باعث بزرگ و گران بودن آنها می‌شود. شتاب‌دهنده‌های لیزر-پلاسما یک جایگزین امیدوارکننده ارائه می‌دهند. این فناوری با ارسال پالس‌های لیزری کوتاه و قدرتمند به داخل یک مویرگ باریک و پر از هیدروژن کار می‌کند تا پلاسما (گاز یونیزه) ایجاد شود.
هنگامی که لیزر از میان پلاسما عبور می‌کند، یک «رد» ایجاد می‌کند که شبیه به امواجی است که پشت یک قایق سریع‌السیر تشکیل می‌شوند. این «رد» می‌تواند یک دسته از الکترون‌ها را در عرض تنها چند میلی‌متر به انرژی‌های بسیار بالا شتاب دهد.
بررسی یکنواختی و پراکندگی انرژی
تاکنون، این فناوری نوآورانه دارای معایبی بوده است. «دسته‌های الکترونی تولیدشده هنوز به اندازه کافی یکنواخت نیستند»، آندریاس مایر، دانشمند رئیس شتاب‌دهنده‌های پلاسما در DESY، توضیح می‌دهد. «ما می‌خواهیم هر دسته دقیقاً شبیه به دسته‌ی بعدی باشد.» چالش دیگر مربوط به توزیع انرژی درون یک دسته است. به طور تصویری، برخی الکترون‌ها سریع‌تر از سایرین حرکت می‌کنند که این موضوع برای کاربردهای عملی مناسب نیست. در شتاب‌دهنده‌های مدرن، این مشکلات از طریق استفاده از سیستم‌های کنترل هوشمند ماشین‌ها مدت‌ها پیش حل شده‌اند.
کترل دقیق پرتو از طریق مرتب‌سازی مغناطیسی
با استفاده از یک تصحیح دو مرحله‌ای، تیم DESY اکنون موفق شده است خواص دسته‌های الکترونی تولیدشده توسط شتاب‌دهنده لیزر-پلاسمای خود را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. برای رسیدن به این هدف، الکترون‌های شتاب‌داده‌شده توسط شتاب‌دهنده پلاسمای LUX از میان یک «چیکن» (chicane) که شامل چهار آهنربای منحرف‌کننده است، عبور داده می‌شوند. با وادار کردن ذرات به طی یک مسیر انحرافی، پالس‌ها در زمان کشیده می‌شوند و بر اساس انرژی خود مرتب می‌شوند. «پس از عبور ذرات از چیکن مغناطیسی، الکترون‌های سریع‌تر و پرانرژی در جلوی پالس قرار می‌گیرند»، پل وینکلر، نویسنده اصلی مطالعه، توضیح می‌دهد. «ذرات کندتر و با انرژی نسبتاً کم‌تر در پشت پالس قرار می‌گیرند.»
تنظیم دقیق برای کیفیت بالاتر پرتو
دسته‌ی کشیده‌شده و مرتب‌شده بر اساس انرژی سپس به یک ماژول شتاب‌دهنده واحد ارسال می‌شود که مشابه آنچه در تسهیلات مدرن مبتنی بر فرکانس رادیویی استفاده می‌شود. در این تشدیدکننده، دسته‌های الکترونی کمی کُند شده یا شتاب بیشتری می‌گیرند. «اگر ورود پرتو را به دقت با فرکانس رادیویی هماهنگ کنید، الکترون‌های کم‌انرژی در پشت دسته می‌توانند شتاب بگیرند و الکترون‌های پرانرژی در جلوی دسته کُند شوند»، وینکلر توضیح می‌دهد. «این کار پراکندگی انرژی را فشرده می‌کند.» تیم توانست پراکندگی انرژی را ۱۸ برابر و نوسان در انرژی مرکزی را ۷۲ برابر کاهش دهد. هر دو مقدار کوچکتر از یک در هزار هستند که آنها را قابل مقایسه با شتاب‌دهنده‌های سنتی می‌کند.
«این پروژه نمونه‌ای شگفت‌انگیز از همکاری بین نظریه و آزمایش است»، ویم لیمانز، مدیر بخش شتاب‌دهنده‌ها در DESY، می‌گوید. مفهوم نظری اخیراً پیشنهاد شده بود و اکنون برای اولین بار پیاده‌سازی شده است. بیشتر قطعات استفاده‌شده از موجودی موجود DESY بودند. تیم پروژه باید تلاش زیادی برای راه‌اندازی مرحله تصحیح و همگام‌سازی فرآیند‌های فوق‌العاده سریع انجام می‌داد. اما پس از انجام این کار، اوضاع به طرز شگفت‌انگیزی خوب پیش رفت، وینکلر می‌گوید. در اولین روزی که همه چیز راه‌اندازی شد، سیستم را روشن کردیم و بلافاصله یک اثر مشاهده کردیم. پس از چند روز تنظیم دقیق، مشخص شد که سیستم تصحیح دقیقاً به گونه‌ای که برنامه‌ریزی شده بود کار می‌کند.
به سمت کاربردهای عملی
این نتیجه‌ای است از هم‌افزایی موفق بین شتاب‌دهنده‌های پلاسما و فناوری شتاب‌دهنده‌های مدرن، و همچنین همکاری تیم‌های فنی متعددی در DESY که تجربه گسترده‌ای در ساخت شتاب‌دهنده‌ها دارند، راینهارد برینکمن، مدیر سابق بخش شتاب‌دهنده‌ها، می‌گوید. این نتایج به تقویت اعتماد به فناوری جوان شتاب‌دهنده‌های لیزر-پلاسما کمک خواهد کرد، آندریاس مایر افزود.
تیم تحقیقاتی ایده‌های ملموسی برای یک کاربرد بالقوه در ذهن دارد: این تکنیک جدید می‌تواند برای تولید و شتاب دادن دسته‌های الکترونی استفاده شود تا این دسته‌ها به منابع اشعه‌ی X مانند PETRA III یا جانشین برنامه‌ریزی‌شده آن، PETRA IV، تزریق شوند. تاکنون، این نوع تزریق ذرات نیازمند شتاب‌دهنده‌های معمولی نسبتاً بزرگ و مصرف‌کننده‌ی انرژی بوده است. حالا فناوری لیزر-پلاسما به نظر می‌رسد که گزینه‌ای فشرده‌تر و اقتصادی‌تر ارائه می‌دهد. آنچه ما به دست آورده‌ایم گام بزرگی به جلو برای شتاب‌دهنده‌های پلاسماست. هنوز کار‌های توسعه‌ای زیادی پیش رو داریم، مانند بهبود لیزر‌ها و دستیابی به عملکرد پیوسته، ویم لیمانز می‌گوید. اما در اصل، ما نشان داده‌ایم که یک شتاب‌دهنده‌ی پلاسما برای این نوع کاربرد‌ها مناسب است.
انتهای پیام/
