Już gimnazjalista uczy się na lekcjach fizyki o tym ,że można polem elektrycznym przyspieszać cząstki naładowane ,np. elektrony, protony. A gdy znajdzie się w liceum, to poznaje schemat budowy i działania akceleratora określonego typu i wtedy wprawia go w zaskoczenie informacja o ogromnych rozmiarach tych urządzeń, np. akcelerator w CERN[Genewa] o akronimie LHC, to metaliczny tunel próżniowy w kształcie torusa o długości ok. 27 km!
Im większa jest projektowana do uzyskania energia kinetyczna rozpędzanych cząstek ,tym rozmiary akceleratora muszą być wciąż większe- jeśli mechanizm przyspieszania ma pozostać ten sam.
Jednak postęp i rozwój technologii nie polega na ulepszaniu i doskonaleniu istniejącej [bo inaczej królowałyby nadal np. silniki parowe], lecz na zastosowaniach praktycznych nowoodkrytych zjawisk i praw fizycznych.
Zbudowanie przez Amerykanów impulsowego lasera o największej dotychczas wytwarzanej mocy i częstotliwości generowania impulsów [ 1 herc ], umożliwiło odkrycie nieznanych dotychczas własności światła. W takim impulsie świetlnym o tak ekstremalnie wielkiej mocy[ rzędu 1 petwata, czyli 1 biliarda watów] pojawiają się własności, nie występujące w dotychczasowej fotonice.
Foto 1: Roy Kaltschmidt
W specjalnie przygotowanej plazmie impuls światła laserowego o dużej mocy wywołuje wzdłuż swojej drogi stojąca fale elektronową ,której obszary pomiędzy węzłami mają kształt makroskopowych “pęcherzyków “ ładunku na przemian dodatniego i ujemnego i poruszają się z prędkością bliską prędkości światła.
Między “pęcherzykami” wystąpi różnica potencjałów, pojawi się więc wzbudzone pole elektryczne [zwane wakefield], które przemieszcza się razem z impulsem świetlnym.
Rys.1 Wikipedia [eng]
Jeżeli teraz wstrzykniemy w to pole, naładowaną cząstkę to będzie ona przyspieszana coraz silniej wraz z przemieszczaniem się pola ,aż osiągnę jego prędkość [w pobliżu c].
więcej w pozycji [ 2 ]
I to jest zasada działania laserowo-plazmowego akceleratora !
Można osiągnąć jeszcze większą energię cząstek, jeśli wstrzyknie się cząstkę tak, by poruszała się ona po powierzchni wakefield. To zjawisko jest podobne do pewnego stylu surfingu ,kiedy surfer porusza się poprzecznie do niosącej go fali , z prędkością wielokrotnie większą od jej prędkości.
Wykorzystanie owej niezwykłej własności promienia laserowego wielkiej mocy, pozwoliło na zbudowanie już kilku na świecie miniaturowych akceleratorów laserowo-plazmowych. W po koniec minionego roku [1] zespół fizyków z Lawrence Berkeley NationalLabpod kierownictwem prof.W.P.Leemansaprzyspieszył elektrony-za pomocą tego typu akceleratora- do energii 4250000000 elektronowoltów, czyli 4,25 GeV.
Przyspieszenie do energii 4,25 GeV nastąpiło w rurce o długości ok.9 cm i bardzo małym przekroju ( kapilarze ) wypełnionej plazmą. Tym samym uzyskano w niej gradient energii ok. 1000 razy większemy od tego, jaki występuje w tradycyjnych akceleratorach cząstek.
Berkeley Lab Laser Accelerator (Bella) otwiera erę laboratoryjnych [ lub wręcz portable] akceleratorów o gigantycznej mocy.Rozpoczeta jest budowa drugiego o docelowej mocy przyspieszanych elektronów 10 GeV. Będzie miało to ogromne znaczenie dla postępu wielu dziedzin dyscyplin praktycznych, np. radykalnie zmieni się analityka medyczna, będzie dostępna i możliwa już w gabinetach lekarskich, gdy dzisiaj prowadzona jest w specjalistycznych klinikach.
Na przykładzie akceleratora laserowo-plazmowego BELLA widać wyraźnie magiczne właściwości światła laserowego [ nieliniowych fal elektromagnetycznych o ekstremalnych mocach].We wnętrzu takiego światła prawdopodobnie mamy do czynienia , z wszechświatem dotychczas nieznanym i nie przeczuwanym. Nowa fizyka działająca we wnętrzu promienia laserowego, czeka na swych odkrywców.
Literatura
[1]W. P.Leemans and all,Multi-GeV Electron Beams from Capillary-Discharge-Guided Subpetawatt Laser Pulses in the Self-Trapping,Phys. Rev. Lett.,8 December 2014
[2] F.Albert & all ,Laser wakefield accelerator based light sources: potential applications and requirements,Plasma Phys. Control. Fusion 56 084015, 2014
Komentarze