Японские исследователи добились значительного прогресса в области миниатюризации ускорителей частиц. Команде ученых из Университета Осаки (SANKEN) совместно с коллегами из KPSI, QST, RIKEN и KEK удалось продемонстрировать усиление лазера на свободных электронах в диапазоне экстремального ультрафиолета (27–50 нм) с помощью кильватерного ускорения в плазме. Весь процесс разгона электронов до околосветовых скоростей происходит на участке длиной всего в несколько миллиметров.
Традиционные ускорители, такие как синхротроны, представляют собой колоссальные сооружения с периметром в сотни метров. Например, строящийся под Новосибирском комплекс СКИФ достигает полукилометра в обхвате. Такие размеры делают доступ к подобным установкам крайне ограниченным. Разработка настольных систем позволит проводить передовые научные исследования в условиях небольших лабораторий.
Потенциал компактных ускорителей заключается в их способности выступать в качестве мощных источников вторичного рентгеновского излучения. Использование коротких волн позволит значительно увеличить разрешение при изучении атомных структур, биологических клеток и состава новых материалов. Фактически, ученые получают инструмент, способный «видеть» суть вещей на фундаментальном уровне.
Технологический прорыв в миниатюризации
Успех эксперимента стал возможен благодаря двум критическим инновациям:
- Использование усовершенствованной формы лазерного импульса для сверхточной фокусировки.
- Применение специальных сверхзвуковых газовых сопел, обеспечивающих стабильные параметры плазмы.
Применяемая технология плазменного кильватерного ускорения задействует поля, которые в 1000 раз превосходят по интенсивности аналоги в стандартных ускорителях. Это и позволило сократить дистанцию разгона с сотен метров до нескольких миллиметров.
Принцип работы настольного ускорителя
В основе метода лежит фокусировка мощного лазерного луча на струе газа. Это создает плазму и порождает волны, которые «подхватывают» и ускоряют электроны до релятивистских скоростей. Затем пучок попадает в ондулятор — систему магнитов, заставляющую электроны колебаться и излучать когерентный свет. Стабилизация плазменной среды позволила ученым устранить хаотические эффекты, мешавшие ранее эффективно генерировать такое излучение.
Это достижение открывает путь к созданию рентгеновских лазеров на свободных электронах, которые будут работать в обычном лабораторном помещении. Такие приборы смогут генерировать импульсы яркостью в 10 миллиардов раз выше солнечной, при этом длительность вспышек будет измеряться фемтосекундами. Подобные характеристики обещают качественный скачок в развитии квантовых технологий, фармацевтики и производства полупроводников.
