اولین شتاب دهنده مینی ذرات برای تغذیه لیزر

 

شتاب دهنده‌های ذرات موضوع بسیار مهمی در مطالعات جهان هستند. البته تصوری که ما از این ابزارهای غول پیکر، حتی در ابعاد شهر  داریم دقیق نیست. اکنون دانشمندان نسخه بسیار کوچکتری از آن را برای تغذیه یک لیزر پیشرفته ساخته‌اند، مجموعه‌ای که می‌تواند به اندازه نمونه‌های بزرگتر آن مفید باشد.

شتاب دهنده ذرات مورد بحث یک شتاب دهنده پلاسما است که انفجارهای کوتاه و شدید الکترونی تولید می‌کند و برای تغذیه لیزر الکترون آزادی (FEL) که از نور خود برای تجزیه و تحلیل اتم‌ها، مولکول‌ها و چگالش ماده با وضوح فوق العاده بالا استفاده می‌کند، به‌کار می‌رود.

فیزیکدانان به مدت 2 دهه، تلاش کردند تا شتاب دهنده‌های ذرات را کوچک کنند، ماشین‌های عظیمی که به‌عنوان خردکننده اتم و منابع اشعه ایکس عمل می‌کنند. نتیجه این تلاش‌ها در چین منجر به استفاده از یک شتاب دهنده کوچک پلاسما برای تقویت یک نوع لیزر به نام لیزر الکترون آزاد شد.

اگرچه این سناریو قبلاً آزمایش شده بود، ولی نور لیزر به‌دست آمده آنقدر شدید نبود که در مقیاس‌های کوچک مفید باشد. اکنون محققان توانستند با جمع‌آوری دستگاه در چند اتاق معمولی پرتو الکترونی نهایی تولید شده توسط لیزر را تقویت و در آخرین مرحله این فرایند، شدت را 100 برابر افزایش دهند.

لنگ یوکسین، فیزیکدان آکادمی علوم چین (CAS) می‌گوید: “ما مسیر جدیدی را با شتاب دهنده الکترونی لیزری با قابلیت شتاب فوق‌العاده ایجاد کردیم و اندازه تاسیسات را از سطوح چند کیلومتری به 12 متر کاهش دادیم.”

چالش‌های مختلفی برای کوچک کردن این فناوری و در عین حال کارآمد بودن آن وجود داشت. برای مثال،  آن‌ها مجبور بودند که تنوع انرژی الکترون‌ها را به 0.5 درصد کاهش دهند. این امر به مجموعه‌ای از بهینه‌سازی‌ها نیاز داشت که شتاب الکترون را کنترل و انتشار بدون انقطاع آن را تضمین کند.

وانگ ونتائو، فیزیکدان CAS می‌گوید: ” از جمله ویژگی‌های FEL، نرخ وضوح فوق‌العاده بالا در زمان، مکان و درخشندگی بسیار قوی، امکان تصویربرداری سه بعدی و چند حالته مسائل با دقت فوق العاده بالا می‌باشد”

تنظیمات ساختار جدید نه تنها از نظر ابعادی کوچک‌تر از شتاب دهنده ذرات استاندارد است، بلکه بسیار مقرون به صرفه‌تر است و هر نوع برنامه‌ کاربردی جدید را حتی اگر دستگاه به اندازه نسخه‌های بزرگ مقیاس قوی نباشد اجرا می‌کند.

این شتاب‌دهنده‌ها ذرات بنیادی را منفجر و پرتوهای شدید اشعه ایکس را برای مطالعه روی مولکول‌های زیستی و مواد تولید می‌کنند. عموما طول چنین شتاب دهنده‌هایی چندین کیلومتر و هزینه‌ای بالغ بر 1 میلیارد دلار یا بیشتر را در بر می‌گیرند.

در یک شتاب‌دهنده معمولی، ذرات باردار مانند الکترون‌ها می‌توانند به سرعت انرژی دریافت کنند. این ذرات در دسته‌های فشرده جمع شده و از یک محفظه خلاء که با امواج مایکروویو نوسان می‌کنند، می‌گذرند. در نوسان‌ساز، آهنرباهای کوچک در بالا و پایین محفظه عبور پرتو مانند دندان قرار گرفته به‌طوریکه قطب‌های شمالی آهنرباهای مجاور متناوباَ بالا و پایین قرار می‌گیرند. این امواج مایکروویو همان‌طور که موج اقیانوس یک موج سوار را سوق می‌دهد، الکترون‌ها را هل داده و انرژی آن‌ها را افزایش می‌دهد. با این حال، اگر نوسان میدان الکتریکی در امواج مایکروویو بیش از حد قوی شود، جرقه‌های مضری ایجاد می‌کند. بنابراین، ذرات می‌توانند حداکثر 100 مگاالکترون ولت (MeV) انرژی در هر متر محفظه به‌دست آورند.

برای شتابدهی ذرات در فواصل کوتاه‌تر، فیزیکدانان به میدان‌های الکتریکی قوی‌تری نیاز دارند. شلیک پالس لیزر به گازی مانند هلیوم یکی از راه‌های تولید آن‌ها است. پالس لیزر الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا کرده و سونامی یونیزاسیون ایجاد می‌کند که در گاز حرکت  و به‌دنبال آن امواج الکترون‌ها پدید می‌آید که یک میدان الکتریکی بسیار قوی ایجاد می‌کند. این میدان دنباله می‌تواند الکترون‌ها را جمع آوری و آن‌ها را فقط در چند سانتیمتر به سرعت 1000 مگاالکترون ولت برساند.

فیزیک‌دانانی که امیدوارند از مهار میدان دنباله استفاده کنند، نشان داده‌اند که می‌توانند انفجارهای بسیار کوتاه و شدید الکترونی تولید کنند. اما در یک انفجار، انرژی این الکترون‌ها معمولاً با درصد کمی تغییر می‌کند، که این درصد کم همچنان برای بیشتر کاربردهای عملی بسیار زیاد است. اکنون، ونتائو وانگ، فنگ و همکارانش در SIOM خروجی شتاب‌دهنده پلاسمای خود را با بهینه‌سازی به‌اندازه کافی بهبود بخشیده‌اند تا بتوانند به طور بالقوه کاربرد مفیدی از آن داشته باشند.

اولین لیزر اشعه ایکس جهان، (LCLS) که در سال 2009 در آزمایشگاه شتاب دهنده‌ملی SLAC رونمایی شد، یک FEL است که از شتاب دهنده خطی معروف 3 کیلومتری آزمایشگاه استفاده کردند. محققان در اروپا و ژاپن نیز FEL‌های بزرگ اشعه ایکس ساخته اند. اما تیم SIOM با شلیک پرتو الکترونی از شتاب دهنده پلاسما با زنجیره‌ای از سه نوسان ساز 1.5 متری، FEL کوچکی ساختند که در یک اتاق بزرگ قرار می‌گیرد.

دیگران قبلاً هم از شتاب دهنده‌های پلاسما برای خروج نور از نوسان‌سازها استفاده کرده بودند. اما وانگ و همکارانش تقویت را نشان دادند و توانستند شدت نور را در سومین راستا 100 برابر افزایش دهند. آگوستینو مارینلی، فیزیکدان شتاب دهنده در SLAC می‌گوید: “این یک گام بزرگ رو به جلو است.”

مارینلی پیش بینی می‌کند که رسیدن به طول موج اشعه ایکس با این دستگاه ممکن است دشوار باشد. تیم SIOM عنوان ‌کردند: “این نتایج بسیار چشمگیرند، اما ما به‌دنبال این تکنیک برای استفاده در اشعه ایکس هستم.” روکسین لی، فیزیکدان و عضو تیم SIOM می‌گوید: “نمی‌توان گفت چقدر طول می‌کشد تا به طول موج‌های اشعه ایکس برسیم، شاید یک دهه یا بیشتر ولی منتظر آن روز هستیم”

در واقع آماده سازی شتاب دهنده جدید ذرات برای آزمایشات آزمایشگاهی عملی، زمان بیشتری را می‌طلبد و تحقیقات بیشتری نیاز دارد، اما دانشمندان آنچه را که نیاز است، در مقیاس کوچک نشان داده اند.

بنابراین اگرچه هنوز سوالات مهمی در مورد چگونگی مطابقت شتاب دهنده و لیزر با نتایجی که در حال حاضر از نسخه‌های بزرگتر به دست آورده‌ایم، باقی است، اما متخصصان به سرعت از تحقیقات جدید انجام شده تمجید و عنوان کردند این آزمایشات پیشرفت بزرگی در صنعت شتاب دهنده‌ها است.

منبع:

https://www.sciencealert.com/physicists-made-a-particle-accelerator-to-power-a-tiny-laser-with-huge-promise