Yüksek düzeyde doğrusal olmayan plazma dalgalarının doğrudan gözlemlenmesi

Yüksek düzeyde doğrusal olmayan plazma dalgalarının doğrudan gözlemlenmesi

Güçlü bir lazer darbesi tarafından sürülen oldukça doğrusal olmayan plazma dalgası (yeşil renkli), dalga kırılma noktasına ulaşır, burada plazma elektronlarının bir kısmı (kırmızı renkli) uyanma alanı tarafından yakalanır ve hızlanır. Kredi: Igor Andriyash, Yang Wan ve Victor Malka.

Geçtiğimiz birkaç on yıl boyunca, fizikçiler ve mühendisler, ultra hızlı lazer ışınları ve plazma arasındaki etkileşimler tarafından üretilen madde ve parçacık etkileşimlerini incelemek için bir teknoloji olan, giderek daha kompakt lazer-plazma hızlandırıcıları yaratmaya çalışıyorlar. Bu sistemler, yüklü parçacıkları hızlandırmada çok daha verimli olabildikleri için, radyo frekansı sinyallerine dayalı mevcut büyük ölçekli makinelere umut verici bir alternatiftir.

Lazer-plazma hızlandırıcıları henüz yaygın olarak kullanılmasa da, birkaç çalışma bunların değerini ve potansiyelini vurgulamıştır. Bununla birlikte, bu cihazlar tarafından üretilen hızlandırılmış lazer ışınının kalitesini optimize etmek için, araştırmacıların birkaç ultra hızlı fiziksel süreci gerçek zamanlı olarak izleyebilmeleri gerekecek.

İsrail’deki Weizmann Bilim Enstitüsü’ndeki (WIS) araştırmacılar, yakın zamanda lazerle çalışan ve doğrusal olmayan göreli plazma dalgalarını gerçek zamanlı olarak doğrudan gözlemlemek için bir yöntem geliştirdiler. Bu yöntemi kullanarak, yayınlanan bir makalede tanıtılan Doğa Fiziğiinanılmaz derecede yüksek zamansal ve uzaysal çözünürlüklerde doğrusal olmayan plazmayı karakterize edebildiler.

Çalışmayı yürüten araştırmacılardan biri olan Yang Wan, “Işık hızında çalışan mikrometrik lazer güdümlü bir plazma dalgasını görüntülemek çok zordur, bu da ultra kısa ışık darbelerinin veya yüklü parçacık demetlerinin kullanımını ima eder.” Phys.org’a anlattı. “Işık, plazma yoğunluğundaki yapıları ortaya çıkarabilse de, parçacık ışınları plazma dalgalarının iç alanlarını araştırır ve böylece bize bu dalgaların durumu, yani plazma elektronlarını enjekte etme ve hızlandırma kapasiteleri hakkında çok daha fazla bilgi verebilir.”

Wan ve meslektaşlarının son çalışması, Çin’deki Tsinghua Üniversitesi’ndeki eski araştırma ekibiyle yaptığı önceki bir ilke kanıtı çalışmasına dayanıyor. Bu önceki çalışma, esasen, daha zayıf lineer sinüzoidal dalgaların (yani, doğadaki kaç şeyin ve sistemin zaman içinde durum değiştirdiğinin doğal temsilleri) görüntülenebilirliğini doğruladı.

Wan, “Elektron hızlandırması için en yaygın olarak kullanılan yüksek düzeyde doğrusal olmayan plazma dalgasını doğrudan gözlemlemek için, WIS’deki çift 100 TW lazer sistemimizi kullanarak iki yüksek güçlü lazer-plazma hızlandırıcı inşa ettik” dedi. “Bu sistem, yüksek enerjili, yüksek yüklü bir elektron probu üretir ve diğeri, araştırılacak oldukça doğrusal olmayan bir plazma uyanma alanı üretir. Bu keşif çalışmasında, bu yeni görüntüleme tekniğini sınırlarına kadar test ettik ve içindeki ince alan yapılarını aradık. doğrusal olmayan plazma dalgaları.”

Wan ve WIS’deki meslektaşları tarafından yürütülen deneyin ilk amacı, plazma dalgalarını ayrıntılı olarak gözlemlemekti. Ancak bunu yaptıktan sonra ekip, doğrusal olmayan plazma dalgalarının prob parçacıklarını daha ilginç ve şaşırtıcı şekillerde saptırdığını, hem elektrik hem de manyetik alanlar aracılığıyla hareket ettiğini fark etti.

Wan, “Bu bilgiyi teorik ve sayısal modellerle deşifre ederken, oluşan ‘plazma kabarcığının’ arkasındaki yoğun elektron sivri ucuyla doğrudan ilişkili olan özellikleri belirledik” dedi. “Bildiğimiz kadarıyla, bu, doğrusal olmayan plazma dalgası içindeki bu tür ince yapıların ilk ölçümüdür.”

Wan ve meslektaşları daha sonra deneylerinde kullanılan sürücü lazerin gücünü artırdı. Bu, bir plazma dalgasının artık büyüyemediği ve bunun yerine hızlanan alanında plazma elektronlarını yakaladığı durum olan “dalga kırılması” olarak adlandırılan durumu tanımlamalarına izin verdi. Dalga kırma, özellikle plazmada temel bir fiziksel fenomendir.

“Çalışmamızın ilk önemli başarısı, bu tür lazer-plazma hızlandırıcılarının benzersiz bir özelliğinden yararlandığı için göreli plazmaların son derece güçlü alanlarının görüntülenmesidir – ultra güç sağlayan birkaç femtosaniye ışın süresi ve mikro metre ışın kaynağı boyutu. -Işık hızında çalışan mikroskobik olayları yakalamak için yüksek uzaysal-zamansal çözünürlük,” dedi Wan. “Plazma dalgasını görüntüleyerek, kendisi de harika bir deneyim olan ‘dalga kırılmasının’ ince sürecini doğrudan gözlemledik.”

Dikkat çekici bir şekilde, bu araştırma ekibi tarafından toplanan ölçümün, radyofrekans teknolojisine dayalı mevcut geleneksel hızlandırıcılardan herhangi birini kullanarak elde edilmesi imkansız olacaktır. Gelecekte, onların çalışmaları, diğer ekiplere plazmanın birçok nüansını daha fazla gözlemlemek için benzer deneysel yöntemler tasarlama konusunda ilham verebilir.

Wan, “Dalga kırma, kendi kendine enjeksiyondan göreceli elektronların üretilmesi nedeniyle plazma tabanlı hızlandırıcılar için de çok önemlidir.” Dedi. “Bu enjeksiyon mekanizması, kontrollü enjeksiyonu uzun bir çalışma süresi boyunca sürdürmenin zor olduğu tek aşamalı çok GeV hızlandırıcılarda oldukça önemlidir.”

Wan ve meslektaşları tarafından yapılan bu son çalışma, lazer-plazma hızlandırıcıların geliştirilmesi ve kullanımı için çok sayıda önemli etkiye sahip olabilir. En önemlisi, araştırmacıların hızlandırıcılara ince ayar yapmasına ve ışınlarının kalitesini iyileştirmesine olanak tanıyan, gerçek zamanlı olarak elektron kendi kendine enjeksiyon sürecini tanımlamak için değerli bir araç sunar.

“Artık, parçacık ışını güdümlü uyanıklık alanı, ışın-plazma etkileşimi ve füzyonla ilgili plazma dinamikleri dahil olmak üzere fizikle ilgili daha geniş bir plazma parametresi yelpazesinde diğer birçok temel soruyu araştırmak için uç alanları keşfetmek için benzersiz ve güçlü bir aracımız var.” Çalışmanın baş araştırmacısı ve grubun baş araştırmacısı Prof. Victor Malka Phys.org’a verdiği demeçte. “Gelecek çok heyecan verici ve plazma fiziğindeki zengin fenomenlerin keşfine daha derine inmek için sabırsızlanıyoruz.”


Dünya rekoru ivmesi: 8 inçte sıfırdan 7,8 milyar elektron volta


Daha fazla bilgi:
Yang Wan ve diğerleri, Göreli kırık plazma dalgalarının doğrudan gözlemlenmesi, Doğa Fiziği (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01717-6

© 2022 Bilim X Ağı

Alıntı: Yüksek düzeyde doğrusal olmayan plazma dalgalarının doğrudan gözlemi (2022, 15 Eylül), 16 Eylül 2022’de https://phys.org/news/2022-09-highly-nonlinear-plasma.html adresinden alınmıştır.

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir kısmı çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı verilmiştir.

Leave a Comment