پیشرفت‌های جدید در شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسمایی
دانشمندان با استفاده از یک جفت لیزر و یک ورق گاز فوق‌صوت، الکترون‌ها را در کمتر از یک فوت به انرژی‌های بالا شتاب داده‌اند. این توسعه یک گام بزرگ به جلو در شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسمایی است که روشی امیدوارکننده برای ساخت شتاب‌دهنده‌های ذرات جمع و جور و با انرژی بالا به شمار می‌رود و می‌تواند در فیزیک ذرات، پزشکی و علم مواد کاربرد داشته باشد. در یک مطالعه جدید که به زودی در نشریه Physical Review Letters منتشر خواهد شد، تیمی از محققان موفق به شتاب دادن به پرتوهای الکترونی با کیفیت بالا به بیش از ۱۰ میلیارد الکترون‌ولت (۱۰ گیگاالکترون‌ولت یا GeV) در ۳۰ سانتی‌متر شدند. (نسخه پیش‌نویس این تحقیق در مخزن آنلاین arXiv موجود است).
این تحقیق به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده و با همکاری دانشگاه مریلند انجام شد. این پژوهش در مرکز شتاب‌دهنده لیزری برکلی (BELLA) صورت گرفت که در سال ۲۰۱۹ رکورد جهانی ۸ GeV الکترون را در ۲۰ سانتی‌متر ثبت کرده بود. آزمایش جدید نه تنها انرژی پرتو را افزایش می‌دهد، بلکه برای اولین بار پرتو با کیفیت بالا را در این سطح انرژی تولید می‌کند و راه را برای ماشین‌های با کارایی بالا در آینده هموار می‌سازد.
الکس پیکسل، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشمند پژوهشی در بخش فناوری شتاب‌دهنده و فیزیک کاربردی برکلی Lab، گفت: “ما از ۸ GeV به ۱۰ GeV پرش کرده‌ایم، اما همچنین کیفیت و کارایی انرژی را با تغییر فناوری که استفاده می‌کنیم به طور قابل توجهی بهبود بخشیده‌ایم. این یک گام مهم در مسیر به سمت یک برخورددهنده مبتنی بر پلاسما در آینده است.”
چگونگی عملکرد شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسمایی
شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسمایی (LPAs) از پلاسما، یک سوپ گازی از ذرات باردار که شامل الکترون‌ها است، استفاده می‌کنند. با ارائه یک شوک انرژی شدید به پلاسما در عرض چند کوادریلیونیم ثانیه، محققان می‌توانند یک موج قوی ایجاد کنند. الکترون‌ها بر روی قله این موج پلاسما سوار می‌شوند و انرژی جمع‌آوری می‌کنند، مانند سوارکارانی که بر روی موج در اقیانوس حرکت می‌کنند.
📢 اگر عاشق علم هستید و نمی‌خواهید هیچ مقاله‌ای را از دست بدهید…
به کانال تلگرام ما بپیوندید! تمامی مقالات جدید روزانه در آنجا منتشر می‌شوند.
📲 عضویت در کانال تلگرام🎨 ربات رایگان ساخت عکس با هوش مصنوعی
با ربات @ai_photo_bbot، هر متنی را به تصویر تبدیل کنید! 🚀
ربات کاملاً رایگان است و منتظر ایدههای جذاب شماست. 🌟
نتیجه جدید از یک سیستم دو لیزری استفاده می‌کند که با تکمیل یک خط پرتو دوم در BELLA در سال ۲۰۲۲ ممکن شده است. در این سیستم، لیزر اول مانند یک مته عمل می‌کند و پلاسما را گرم کرده و یک کانال ایجاد می‌کند که لیزر “رانش” بعدی را هدایت می‌کند و الکترون‌ها را شتاب می‌دهد. کانال پلاسما انرژی لیزر را به گونه‌ای هدایت می‌کند که مانند یک کابل فیبر نوری نور را هدایت کرده و پالس لیزر را در فواصل طولانی متمرکز نگه می‌دارد.
در گذشته، محققان پلاسما را با استفاده از لوله‌های شیشه‌ای یا یاقوتی با طول ثابت به نام “کاپیلاری” شکل می‌دادند. اما در نتیجه جدید، تیم به سیستمی روی آورد که از یک سری جت‌های گازی استفاده می‌کند که مانند جت‌های یک شومینه گازی مرتب شده‌اند. این جت‌ها یک ورق گاز با سرعت فوق‌صوت ایجاد می‌کنند که لیزرها از آن عبور کرده و یک کانال پلاسما تشکیل می‌دهند. این تنظیمات به محققان اجازه می‌دهد تا پلاسما را به دقت تنظیم کرده و طول آن را تغییر دهند، که به آن‌ها امکان می‌دهد فرآیند را در مراحل مختلف با دقت بی‌نظیری مطالعه کنند.
کارلو بنیدتی، دانشمند کارکنان ATAP در BELLA که روی نظریه و مدل‌سازی شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسمایی کار می‌کند، گفت: “قبل از این، پلاسما اساساً یک جعبه سیاه بود. شما می‌دانستید که چه چیزی وارد می‌شود و چه چیزی در انتها خارج می‌شود. این اولین بار است که می‌توانیم آنچه در داخل شتاب‌دهنده در هر نقطه اتفاق می‌افتد را ثبت کنیم و نشان دهیم که چگونه لیزر و موج پلاسما در حال تحول هستند، با قدرت بالا، فریم به فریم.”
این دانش به محققان اجازه می‌دهد تا مدل‌ها و آزمایش‌های خود را مقایسه کنند و به آن‌ها اطمینان می‌دهد که فیزیک در حال کار را درک کرده و ابزاری برای تنظیم شتاب‌دهنده دارند. برای شبیه‌سازی تعامل لیزر-پلاسما، کارشناسان از کدی به نام INF&RNO استفاده می‌کنند که در BELLA توسعه یافته است. محاسبات پیچیده در مرکز محاسبات علمی تحقیقاتی انرژی ملی (NERSC) در برکلی Lab انجام می‌شود. یافته‌های جدید به اعتبارسنجی کدی که در این شبیه‌سازی‌ها استفاده می‌شود کمک می‌کند و مدل‌ها را بیشتر تقویت می‌کند.
مزایای سیستم جت گاز: تاب‌آوری و کارایی
سیستم جت گاز یک مزیت دیگر نیز دارد: تاب‌آوری. از آنجا که ورق گاز هیچ قطعه‌ای برای شکست ندارد، این فناوری می‌تواند به نرخ‌های تکرار بسیار بالایی مقیاس‌پذیر باشد. آزمایشگاه در حال کار بر روی این موضوع برای شتاب‌دهنده‌های ذرات و کاربردهای آینده است. محققان همچنین نشان دادند که رویکرد آن‌ها، پرتوهایی تولید می‌کند که “بدون جریان تاریک” هستند، به این معنی که الکترون‌های پس‌زمینه در پلاسما به‌طور ناخواسته شتاب نمی‌گیرند. جروئن ون تیلبورگ، دانشمند ارشد ATAP و معاون مدیر برنامه‌های آزمایشی BELLA گفت: “اگر جریان‌های تاریک وجود داشته باشند، آن‌ها انرژی لیزر را به جای شتاب دادن به پرتو الکترون شما جذب می‌کنند.” او افزود: “ما به نقطه‌ای رسیده‌ایم که می‌توانیم شتاب‌دهنده خود را کنترل کنیم و اثرات ناخواسته را سرکوب کنیم، بنابراین یک پرتو با کیفیت بالا بدون اتلاف انرژی تولید می‌کنیم. این امر در حالی که به شتاب‌دهنده لیزری ایده‌آل آینده فکر می‌کنیم، ضروری است.”
کاربردهای بالقوه فناوری
این فناوری دامنه وسیعی از کاربردهای بالقوه را دارد. به عنوان مثال، می‌تواند برای تولید پرتوهای ذره‌ای برای درمان سرطان استفاده شود یا می‌تواند لیزرهای الکترون آزاد را تغذیه کند که مانند میکروسکوپ‌های اتمی عمل می‌کنند و به ایجاد مواد پیشرفته و درک فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی کمک می‌کنند. آنتونی گونسالوس، دانشمند ATAP که رهبری کارهای شتاب‌دهنده در BELLA را بر عهده دارد، گفت: “ما یک گام بزرگ به سمت امکان‌پذیری کاربردهای این شتاب‌دهنده‌های فشرده برداشته‌ایم. برای من، زیبایی این نتیجه این است که ما محدودیت‌های شکل پلاسما را که کارایی و کیفیت پرتو را محدود می‌کرد، از بین برده‌ایم. ما یک بستر ساخته‌ایم که از آن می‌توانیم بهبودهای بزرگی ایجاد کنیم و آماده‌ایم تا پتانسیل شگفت‌انگیز شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما را به واقعیت تبدیل کنیم.”
پتانسیل‌های آینده شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما
در مقیاس بالاتر، شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما می‌توانند در فیزیک بنیادی و فراتر از آن کاربرد داشته باشند. در کوتاه‌مدت، LPAها می‌توانند برای تولید پرتوهای میون استفاده شوند که به تصویر برداری از مناطق دشوار کمک می‌کنند، از جمله ساختارهای معماری مانند هرم‌های باستانی، ویژگی‌های زمین‌شناسی مانند آتشفشان‌ها یا ذخایر معدنی، یا داخل راکتورهای هسته‌ای. در مقیاس بلندمدت، این فناوری می‌تواند شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای با انرژی بالاتر را تغذیه کند که ذرات باردار را به هم می‌کوبند و به دنبال ذرات جدید و درک عمیق‌تری از نیروهای زیرساختی جهان ما هستند. محققان در BELLA اکنون در حال کار بر روی توسعه این ماشین‌های بسیار با انرژی بالا هستند و بلوک‌های سازنده را در یک سیستم شتاب‌دهنده مرحله‌ای به هم متصل می‌کنند. اریک اساری، مدیر مرکز BELLA گفت: “اتصال مراحل به هم به ما یک مسیر واقعی برای تولید الکترون‌ها بین 10 تا 100 GeV می‌دهد و به سمت شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای آینده که می‌توانند به 10 TeV [ترا الکترون ولت] برسند، پیش می‌رود.”
اهمیت تشخیص دقیق در سیستم‌های مرحله‌ای
برای ایجاد سیستم‌های مرحله‌ای، ضروری است که محققان تشخیص‌های خوبی داشته باشند. این به آن‌ها اجازه می‌دهد تا بفهمند پلاسما، لیزر و پرتو الکترون چگونه رفتار می‌کنند و بر کنترل دقیقی بر زمان‌بندی و هم‌زمانی مراحل در کسری از ثانیه داشته باشند. کامرون گدس، مدیر بخش ATAP آزمایشگاه برکلی گفت: “با این مطالعه، ما انرژی ذرات پرتوهای با کیفیت بالا را در فواصل بسیار کوتاه پیشرفت داده‌ایم و کارایی که می‌توانیم آن‌ها را تولید کنیم، با استفاده از تشخیص‌های دقیق که کنترل عالی لیزر-پلاسما را به ما می‌دهد، افزایش یافته است.” او افزود: “پیشرفت فناوری شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما به عنوان یک هدف مهم توسط هر دو پنل اولویت‌بندی پروژه‌های فیزیک ذرات ایالات متحده (P5) و استراتژی توسعه شتاب‌دهنده‌های پیشرفته وزارت انرژی شناسایی شده است. این نتیجه یک نقطه عطف در مسیر ما به سمت شتاب‌دهنده‌های مرحله‌ای است که قرار است روش‌های علمی ما را تغییر دهند.”
این کار با حمایت دفتر علوم وزارت انرژی، دفتر فیزیک انرژی بالا و آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی انجام شده و از مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی (NERSC)، یک تأسیسات کاربری دفتر علوم DOE استفاده گردید.
بیشتر بخوانید
مدیتیشن یک روز پربرکت برای جذب عشق وامنیت و سلامتی
خود هیپنوتیزم درمان زود انزالی در مردان توسط هیپنوتراپیست رضا خدامهری
تقویت سیستم ایمنی بدن با خود هیپنوتیزم
شمس و طغری
خود هیپنوتیزم ماندن در رژیم لاغری و درمان قطعی چاقی کاملا علمی و ایمن
خود هیپنوتیزم تقویت اعتماد به نفس و عزت نفس