Японские учёные впервые продемонстрировали усиление лазера на свободных электронах в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (27–50 нм) с помощью кильватерного ускорения в плазме на участке всего в несколько миллиметров. Это важный шаг к созданию настольных ускорителей частиц, которые значительно расширят возможности лабораторных исследований.
- Исследование проведено коллективом из Университета Осаки, KPSI, QST, RIKEN SPring-8 и KEK.
- Лазер на свободных электронах усилен в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне 27–50 нм.
- Использована технология кильватерного ускорения на сверхкоротком участке плазмы.
- Ранее ускорители электронов требовали огромных размеров (сотни метров), теперь путь к компактым установкам.
- Ускоритель генерирует стабильные электронные пучки высокой энергии с улучшенной фокусировкой лазера и сверхзвуковыми газовыми соплами.
- Новые установки обещают революцию в биологии, материаловедении и квантовых технологиях.
Что нового в технологии кильватерного ускорения
Традиционные ускорители электронов имеют размеры от сотен метров до километров, что ограничивает их доступность. Новая методика использует мощный лазерный импульс, сфокусированный на сверхзвуковой газовой струе, которая создаёт плазму и волны для ускорения электронов почти до скорости света. Это позволяет сократить длину ускоряющего участка с сотен метров до нескольких миллиметров.
Полученный электронный пучок направляется в ондулятор — магнитную структуру, в которой электроны колеблются и генерируют когерентное лазерное излучение в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Такой подход обеспечивает стабильность и высокую энергию пучков, что ранее было серьёзной технической проблемой.
Перспективы применения компактных ускорителей
Ускорители электронов, являющиеся источниками рентгеновского излучения, широко применяются для изучения структуры материалов и биологических объектов. Новая компактная технология позволит значительно повысить разрешающую способность за счёт коротковолнового излучения и усиления энергии пучка.
Это откроет новые горизонты в атомарной и молекулярной визуализации, позволит детальнее изучать строение клеток, материалов и наноструктур. Также компактные ускорители найдут применение в разработке полупроводников, квантовых технологий и биомедицинских исследований.
| Параметр | Традиционные ускорители | Новое кильватерное ускорение |
|---|---|---|
| Длина ускоряющего участка | Сотни метров – километры | Несколько миллиметров |
| Диапазон длины волн лазера | Различные, обычно выше 50 нм | 27–50 нм (экстремальный УФ) |
| Стабильность электронных пучков | Высокая, но требует больших систем | Достигнута благодаря усовершенствованным лазерным импульсам и газовым соплам |
| Применение | Большие научные центры и синхротроны | Настольные лабораторные установки |
- Фокусировка лазера на сверхзвуковой газовой струе, создание плазмы.
- Образование волн в плазме для ускорения электронов.
- Генерация стабильных моноэнергетических электронных пучков высокой энергии.
- Транспортировка пучка в ондулятор для генерации лазерного излучения.
- Демонстрация усиления лазера в экстремальном УФ-диапазоне.