Um grande enigma sobre o que acontece com a energia do laser depois que os feixes são disparados contra o plasma foi resolvido em uma pesquisa recém-publicada na Universidade de Strathclyde.

O estudo descobriu que as mesmas forças que produzem uma bolha no plasma no acelerador de wakefield de plasma a laser produzem dois feixes de elétrons adicionais de baixa energia, mas de alta carga, simultaneamente com um feixe de baixa carga de alta energia. Esses feixes de alta carga podem ter mil vezes mais carga do que o feixe de alta energia.

Plasma, o estado em que quase todo o universo existe, pode suportar campos elétricos que são 1, 000 a 10, 000 vezes maior do que em aceleradores convencionais, simplesmente separando as partículas carregadas positivas e negativas que compõem o meio do plasma, que é quase neutro.

Isso pode ser facilmente alcançado usando um pulso de laser intenso, a leve pressão que empurra os elétrons para fora de seu caminho, deixando para trás os íons muito mais pesados ​​que permanecem no lugar e exercem uma força atrativa sobre os elétrons deslocados. Os elétrons deslocados, então, oscilam em torno dos íons estacionários, resultando em uma esteira atrás do pulso de laser, de maneira semelhante à esteira atrás de um barco.

Como o pulso de laser viaja a uma velocidade próxima à da luz no vácuo, a esteira pode rastrear e acelerar partículas carregadas rapidamente para energias muito altas, em comprimentos extremamente curtos.

O artigo de pesquisa, intitulado Três feixes de elétrons de um acelerador de onda de plasma a laser e a questão de distribuição de energia, foi publicado em Relatórios Científicos .

Professor Dino Jaroszynski, do Departamento de Física de Strathclyde, conduziu o estudo. Ele disse:"O pulso de laser intenso que usamos, e a aceleração da esteira que cria, levam a um acelerador de wakefield a laser muito compacto, que tem milímetros de comprimento, em vez de dezenas de metros de comprimento, para um acelerador convencional equivalente. A esteira de plasma se forma em algo como uma bolha, acelerador Van de Graaf em miniatura movido a laser, que viaja próximo à velocidade da luz.

"Parte da energia do laser é convertida em energia eletrostática da bolha de plasma, que tem um diâmetro de vários mícrons. Os aceleradores convencionais armazenam sua energia de microondas em cavidades de cobre ou supercondutoras, que têm capacidade limitada de transporte de energia.

"Um enigma interessante que não foi considerado antes é a questão de para onde vai a energia do laser depois de ser depositada no plasma. Sabemos para onde vai parte dessa energia por causa da presença de elétrons de alta energia emitidos em um estreito, feixe direcionado para a frente.

"Um desses feixes é emitido por uma ação de estilingue em um amplo cone direcionado para a frente, com várias energias MeV (megelétron volt) e carga de nível de nanocoulomb. Paradoxalmente, outro feixe é emitido na direção para trás, que tem carga semelhante, mas uma energia de cerca de 200 keV (quilo elétron volt). Esses feixes carregam uma quantidade significativa de energia da bolha de plasma.

"É interessante observar que responder a uma pergunta muito básica - para onde vai a energia do laser? - produz respostas surpreendentes e paradoxais. Apresentando uma nova tecnologia, como o acelerador laser-wakefield, pode mudar a maneira como pensamos sobre aceleradores. O resultado é uma fonte muito nova de vários feixes de partículas de carga emitidos simultaneamente.

"Meu grupo de pesquisa mostrou que o acelerador wakefield produz três feixes, dois dos quais são de baixa energia e alta carga, e o terceiro, alta energia e baixa carga. "

Dr. Enrico Brunetti, um pesquisador no Departamento de Física de Strathclyde e um membro do grupo de pesquisa, disse:"Esses feixes podem fornecer um alto fluxo útil de elétrons ou fótons bremsstrahlung em uma grande área, que pode ser usado para aplicativos de imagem, ou para investigar danos por radiação em materiais. Se não for despejado corretamente, eles podem, Contudo, têm efeitos colaterais indesejáveis, como causar danos ao equipamento colocado próximo ao acelerador.

"Esta é uma preocupação particular para aceleradores mais longos, que costumam usar guias de ondas de plasma com base em capilares para guiar o feixe de laser em longas distâncias. Essa baixa energia, feixes de alta carga também carregam uma grande quantidade de energia para longe do plasma, estabelecer um limite para a eficiência dos aceleradores de wakefield a laser.

"Esta é uma questão que deve ser levada em consideração no futuro projeto e construção de aceleradores de campo a laser."