Директно наблюдение на силно нелинейни плазмени вълни

Силно нелинейната плазмена вълна (зелена на цвят), управлявана от силен лазерен импулс, достига точката на прекъсване на вълната, където част от плазмените електрони (в червен цвят) се улавят от следното поле и се ускоряват. Снимка: Игор Андрияш, Янг Уан и Виктор Малка.

През последните няколко десетилетия физици и инженери се опитаха да създадат все по-компактни лазерно-плазмени ускорители, технология за изучаване на взаимодействията материя-частици, получени от взаимодействията между свръхбързи лазерни лъчи и плазма. Тези системи са обещаваща алтернатива на съществуващите широкомащабни машини, базирани на радиочестотни сигнали, тъй като те могат да бъдат много по-ефективни при ускоряване на заредени частици.

Докато лазерно-плазмените ускорители все още не се използват широко, няколко проучвания подчертаха тяхната стойност и потенциал. Въпреки това, за да се оптимизира качеството на ускорения лазерен лъч, произведен от тези устройства, изследователите ще трябва да могат да наблюдават няколко свръхбързи физически процеса в реално време.

Изследователи от Weizmann Institute of Science (WIS) в Израел наскоро разработиха метод за директно наблюдение на нелинейни, лазерно задвижвани релативистични плазмени вълни в реално време. С помощта на този метод, представен в статия, публикувана в Естествена физикате успяха да характеризират нелинейната плазма при невероятно високи времеви и пространствени разделителни способности.

„Изобразяването на лазерно управлявана микрометрова плазмена вълна, която се движи със скоростта на светлината, е много трудно, което включва използването на ултра-къси импулси на светлина или клъстери от заредени частици“, каза Янг Уан, един от изследователите, провели изследването . казва Phys.org. „Докато светлината може да разкрие структури в плътността на плазмата, лъчите от частици изследват вътрешните полета на плазмените вълни и по този начин биха могли да ни дадат много повече информация за състоянието на тези вълни, т.е. способността им да инжектират и ускоряват плазмените електрони.“

Неотдавнашната работа на Уан и неговите колеги се основава на предишно доказателство за принципно проучване, което той проведе с бившия си изследователски екип в университета Цинхуа в Китай. Това предишно проучване по същество потвърди осъществимостта на изобразяване на по-слаби линейни синусоиди (т.е. естествени представяния на броя на нещата и системите в природата, които променят състоянието си с течение на времето).

„За да наблюдаваме директно силно нелинейната плазмена вълна, която най-често се използва за ускоряване на електрони, ние изградихме два високомощни лазерно-плазмени ускорителя, използвайки нашата 100 TW двойна лазерна система в WIS“, каза Уан. „Тази система произвежда една високоенергийна електронна сонда с висок заряд, а другата произвежда силно нелинейно плазмено събуждащо поле, което трябва да бъде изследвано. В това проучвателно проучване тествахме тази нова техника за изобразяване до нейните граници, като търсихме фините полеви структури вътре нелинейните плазмени вълни.”

Първоначалната цел на експеримента, проведен от Уан и колегите му от WIS, беше да наблюдават плазмените вълни в детайли. След като направи това обаче, екипът осъзна, че нелинейните плазмени вълни отклоняват частиците на сондата по по-интересни и изненадващи начини, действайки както чрез електрически, така и чрез магнитни полета.

„Докато дешифрирахме тази информация с теоретични и числени модели, ние идентифицирахме характеристиките, пряко свързани с плътния електронен пик в задната част на образувания „плазмен балон“, каза Уан. “Доколкото ни е известно, това е първото измерване на такива фини структури в нелинейната плазмена вълна.”

След това Уан и колегите му увеличиха мощността на пилотния лазер, използван в техния експеримент. Това им позволи да идентифицират това, което е известно като “прекъсване на вълната”, състоянието, след което плазмена вълна вече не може да се развие, така че вместо това улавя плазмени електрони в своето ускорително поле. Разрушаването на вълните е фундаментално физическо явление, особено в плазмата.

„Първото значително постижение на нашата работа е изобразяването на изключително силни полета на релативистични плазми, тъй като използва уникална характеристика на тези лазерно-плазмени ускорители – фемтосекундната продължителност на лъча и микрометровия размер на източника на лъч, които осигуряват ултрависоко пространство -времева разделителна способност за улавяне на микроскопични явления, работещи със скоростта на светлината”, каза Уан. „Представяйки си плазмената вълна, ние също директно наблюдавахме финия процес на „вълнова вълна“, което само по себе си беше прекрасно изживяване.“

Забележително е, че измерването, събрано от този екип от изследователи, би било невъзможно да се постигне с помощта на който и да е от съществуващите конвенционални ускорители, базирани на радиочестотна технология. В бъдеще тяхната работа може да вдъхнови други екипи да проектират подобни експериментални методи за по-добро наблюдение на многото нюанси на плазмата.

„Разрушаването на вълните също е от решаващо значение за базираните на плазма ускорители, поради производството на релативистични електрони от самоинжектиране“, каза Уан. „Този ​​механизъм за инжектиране е доста важен в едностепенните мулти-GeV ускорители, където е трудно да се поддържа контролирано инжектиране за дълго време на работа.“

Тази скорошна работа на Уан и колегите му може да има много важни последици за разработването и използването на лазерно-плазмени ускорители. Най-вече, той въвежда ценен инструмент за идентифициране на процеса на самоинжектиране на електрони в реално време, което би позволило на изследователите да прецизират ускорителите и да подобрят качеството на техните лъчи.

„Сега разполагаме с уникален и мощен инструмент за изследване на екстремни полета, за да изследваме много други фундаментални въпроси в по-широк спектър от важни за физиката параметри на плазмата, включително пробуждащото се поле от лъч от частици, взаимодействието лъч-плазма и свързаната с термоядрен синтез плазма динамика“, каза професор Виктор Малка, главен изследовател на изследването и главен изследовател на групата, пред Phys.org. „Бъдещето е много вълнуващо и ние очакваме с нетърпение по-нататъшното изследване на богатите явления във физиката на плазмата.“


Световен рекорд за ускорение: от нула до 7,8 милиарда електрон-волта в 8 инча


Повече информация:
Yang Wan et al, Директно наблюдение на релативистични прекъснати плазмени вълни, Естествена физика (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01717-6

© 2022 Science X Network

цитат: Директно наблюдение на силно нелинейни плазмени вълни (2022 г., 15 септември) Изтеглено на 16 септември 2022 г. от https://phys.org/news/2022-09-highly-nonlinear-plasma.html

Този документ е обект на авторско право. Освен за честна употреба за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието е предоставено само за информация.

Add Comment