Físicos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) estão descobrindo novas maneiras de acelerar elétrons para registrar energias altas em distâncias curtas recorde com uma técnica que usa pulsos de laser e matéria exótica conhecida como plasma. Mas medir as propriedades dos feixes de elétrons de alta energia produzidos em experimentos de aceleração de plasma a laser provou ser um desafio, já que o laser de alta intensidade deve ser desviado sem interromper o feixe de elétrons.

Agora, um novo, O sistema compacto foi demonstrado com sucesso no Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center para fornecer medições simultâneas de alta resolução de propriedades de múltiplos feixes de elétrons.

O novo sistema usa filmes de cristal líquido ultrafinos, desenvolvido pelo Prof. Douglass Schumacher e sua equipe na Ohio State University, para redirecionar o laser enquanto permite que o feixe de elétrons passe, praticamente inalterado. O laser forma um plasma que reflete a maior parte de sua luz laser.

Enquanto cada pulso de laser destrói o filme de cristal líquido, semelhante a uma máquina de bolhas, o filme de cristal líquido é reabastecido por um disco giratório e dispositivo limpador após cada disparo de laser. Os filmes formados por este dispositivo têm apenas dezenas de nanômetros (bilionésimos de metros) de espessura, cerca de um fator de 1, 000 mais fino do que aqueles em outros sistemas de espelho de plasma renováveis ​​que usam fita cassete VHS, por exemplo. Essa redução na espessura serve para preservar as propriedades do feixe de elétrons.

O desvio da luz do laser para longe do feixe de elétrons é essencial para produzir um diagnóstico preciso do feixe de elétrons, observou Jeroen van Tilborg, um cientista da equipe do BELLA Center, e também é crucial para experimentos de aceleração de plasma a laser em vários estágios, em que os pulsos de laser são atualizados em cada estágio para fornecer um "chute" adicional de aceleração para o feixe de elétrons até que ele alcance a aceleração necessária.

O espelho de plasma de cristal líquido (LCPM) também permite o uso de um Dispositivo de focagem forte de 6 centímetros de comprimento para o feixe de elétrons, conhecido como uma lente de plasma ativa.

Esta lente permite uma alternativa compacta a uma grande ferramenta de diagnóstico chamada dispositivo espectrômetro magnético, que tem ímãs volumosos que pesam mais de uma tonelada e são acoplados a uma grande fonte de alimentação.

"Conseguimos substituir isso por ímãs dipolares (dois pólos) do tamanho de um sanduíche, "disse Sam Barber, um cientista pesquisador no Centro BELLA na Divisão de Tecnologia e Física Aplicada do Laboratório de Berkeley (ATAP). "Os aceleradores de plasma a laser podem produzir elétrons de alta energia em pegadas compactas, mas ainda há muito que pode ser feito para reduzir alguns dos componentes, incluindo diagnóstico de feixe de elétrons. "

Ele adicionou, "Esta é uma grande redução na escala. Estamos combinando um laser petawatt (alta potência) com LCPMs ultrafinos e lentes de plasma ativas - todas tecnologias novas que foram desenvolvidas recentemente. Combinamos todos os três e obtivemos um bom resultado. Estamos dando grandes passos em frente. Há uma série de novos aplicativos para os quais isso poderia ser usado. "

Barber foi o autor principal de um estudo que detalha o desempenho e a configuração da nova ferramenta de diagnóstico, publicado no jornal Cartas de Física Aplicada . Outros pesquisadores do Centro BELLA participaram do estudo, também, junto com pesquisadores da UC Berkeley e da Ohio State University. Os avanços atuais foram apoiados pela LaserNetUS, a rede recém-formada de instalações de laser de alta potência que é financiada pelo DOE Office of Science, Escritório de Ciências da Energia de Fusão, e Office of High Energy Physics.

Carl Schroeder, um cientista sênior do Berkeley Lab que é vice-diretor do BELLA Center, disse que além de sua compactação, a nova técnica de diagnóstico pode coletar várias propriedades do feixe de elétrons de uma vez, incluindo a distribuição de energia detalhada do feixe de elétrons e a emitância do feixe, em uma base de tiro único. A emissão é uma propriedade crítica de um feixe de elétrons que determina o quão firmemente o feixe pode ser focalizado. Uma baixa emitância significa que o feixe pode ser focado em um ponto muito pequeno, crucial para a maioria das aplicações de aceleradores, como aceleradores e lasers de elétrons livres.

"Tipicamente, estes são diagnósticos multishot, " ele disse, que calcula a média das medições de vários pulsos de feixe, mas não mede pulso a pulso - como faz a nova técnica.

Na configuração demonstrada, um laser é focado em uma célula de gás, onde ele cria e interage com um plasma, gerar e acelerar um feixe de elétrons. Depois de passar por esta célula, o feixe de laser e feixe de elétrons combinados chegam ao LCPM, nesse ponto, o laser é desviado enquanto o feixe de elétrons é transmitido - com interrupção desprezível.

O feixe de elétrons então passa pelas lentes de plasma ativas. A lente é usada para focar o feixe de elétrons em uma sequência de pequenos ímãs. O campo magnético dispersa os elétrons de acordo com a energia - da mesma forma que a luz é dispersa pela cor ao passar por um prisma.

O feixe de elétrons dispersos então passa por um cristal especial que produz luz quando o elétron passa. Imagens de alta resolução da assinatura de luz do cristal permitem uma mapeamento de resolução sub-percentual da energia do feixe de elétrons, e medições simultâneas de emitância.

As medições podem, em última análise, ajudar os pesquisadores a solucionar problemas, afinação, e melhorar o desempenho de experimentos de aceleração de plasma a laser, e a configuração pode ser potencialmente relevante para futuras aplicações de colisor e lasers compactos de elétrons livres de raios-X, pesquisadores notaram, que pode ter uma ampla gama de aplicações.

"Você deseja caracterizar rapidamente esses feixes e usá-los como feedback para otimização, "Barber disse." Isso é útil para a caracterização e controle das propriedades do feixe de elétrons. "