Instantâneo eletro-óptico 3D de um grupo de elétrons quilo-ampere acelerado por campo de despertar a laser
Grupos de elétrons relativísticos foram gerados através da incidência de um laser de alta potência em um jato de gás. A radiação TR emitida quando o elétron passando através de uma folha de metal foi visualizada em um cristal de EO. A imagem OTR e a decodificação espacial EO foram conduzidas simultaneamente para obter o perfil espaço-temporal do elétron em um único disparo. Crédito:Kai Huang, Zhan Jin, Nobuhiko Nakanii, Tomonao Hosokai e Masaki Kando Inventada por T. Tajima e J. Dawson, a aceleração do laser wakefield (LWFA) aproveita o poder dos pulsos de laser de alta intensidade para conduzir ondas de plasma com gradientes de aceleração ordens de magnitude superiores aos aceleradores convencionais baseados em RF.
Tratando o pulso de laser como uma bala, a força ponderomotriz induz uma onda periódica no plasma, semelhante a uma cavidade de RF. Os elétrons presos nesta onda podem atingir energias de GeV em apenas um centímetro – mil vezes mais curtas que os aceleradores convencionais. As durações temporais de femtossegundos dos grupos de elétrons do LWFA apresentam oportunidades sem precedentes para estudos ultrarrápidos.
Nas últimas duas décadas, a LWFA viu avanços notáveis em energia máxima, distribuição de energia, carga e taxa de repetição.
Com seu alto gradiente de aceleração e capacidade de produzir grupos de elétrons de alto brilho, o LWFA possui imenso potencial para aplicações em física de alta energia, estudos de sondas de bomba de raios X e dosimetria resolvida no tempo. A densidade tridimensional (3D) é um parâmetro crítico que influencia a luminosidade em um colisor, o brilho das fontes secundárias de raios X e as taxas de dose máxima de radiação, respectivamente.
Em particular, um laser de elétrons livres de raios X de mesa (XFEL) está intrinsecamente ligado ao processo de laser em um ondulador. No entanto, até agora, a medição experimental permaneceu indefinida devido à falta de métodos de diagnóstico. Embora as distribuições longitudinais transversais ou relativas tenham sido estudadas separadamente, o perfil de densidade 3D absoluto ainda não foi totalmente caracterizado.
Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pelo Dr. Masaki Kando do Instituto Kansai de Ciência de Fótons (KPSI), Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia Quântica (QST), Japão, Prof. trabalhadores alcançaram um avanço no monitoramento único do perfil de densidade 3D dos grupos de elétrons LWFA.
Através de investigações experimentais e numéricas sobre imagens de radiação de transição óptica (OTR), decodificação espacial eletro-óptica (EO) e algoritmo genético (GA), as estruturas 3D detalhadas dos grupos de elétrons ultrarrápidos do LWFA foram reconstruídas com sucesso, iluminando o intrincado feixe dinâmica do grupo de elétrons.
Com os sinais OTR e EO, o perfil de densidade eletrônica 3D foi reconstruído usando o algoritmo genético. Crédito:Kai Huang, Zhan Jin, Nobuhiko Nakanii, Tomonao Hosokai e Masaki Kando
As descobertas revelam um tamanho transversal inferior a 30 micrômetros para o grupo de elétrons, mostrando a notável resolução alcançada pela técnica de imagem OTR. Além disso, o perfil de corrente exibia um formato complexo de múltiplos picos, com uma estrutura de sub-10 femtossegundos ostentando uma corrente de pico superior a 1 quiloampere (kA) – uma prova do desempenho excepcional da aceleração do campo de despertar do laser.
De particular importância é o pico de densidade numérica 3D observado de ∼ 9 × 10
21
m
-3
, oferecendo informações valiosas sobre o grupo de elétrons acelerados. Esta detecção mostrou o potencial para implementação de um detector em qualquer posição ao longo de uma linha de transporte de feixe, abrindo assim novos caminhos para aplicações futuras na ciência de aceleradores e além.
"A capacidade de medir o perfil de densidade tridimensional dos grupos de elétrons melhorará nossa compreensão do LWFA e desbloqueará todo o seu potencial para diversas aplicações", disse o Dr. Kai Huang, pesquisador sênior da QST e principal autor do artigo.
"Os resultados e metodologias apresentados neste artigo têm implicações de longo alcance em um espectro de disciplinas, incluindo física de aceleradores, lasers de alta potência e óptica terahertz."
