Εξισορρόπηση δοκών:Πολλαπλά δοκάρια λέιζερ εμφανίζουν καλύτερη επιτάχυνση ηλεκτρονίων και ιόντων
Τα τελευταία χρόνια, η επιτάχυνση των σωματιδίων με γνώμονα το λέιζερ έχει προσελκύσει σημαντική προσοχή ως συμπαγής εναλλακτική λύση σε συμβατικούς επιταχυντές ραδιοσυχνότητας που χρησιμοποιούνται σε πειράματα φυσικής υψηλής ενέργειας και ιατρικές εγκαταστάσεις. Η επιτάχυνση με λέιζερ βασίζεται στην αλληλεπίδραση έντονων παλμών λέιζερ με πλάσματα, τα οποία είναι ιονισμένα αέρια. Όταν ένας παλμός λέιζερ υψηλής ισχύος αλληλεπιδρά με πλάσμα, μπορεί να παράγει ισχυρά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που μπορούν να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα σε πολύ υψηλές ενέργειες.
Ωστόσο, μία από τις προκλήσεις στην επιτάχυνση με λέιζερ είναι η διατήρηση της ποιότητας των επιταχυνόμενων σωματιδίων. Όταν χρησιμοποιείται ένας μόνο παλμός λέιζερ για την επιτάχυνση των σωματιδίων, η διαδικασία επιτάχυνσης μπορεί να είναι ασταθής, οδηγώντας σε παραλλαγές στην ενέργεια και τις τροχιές των επιταχυνόμενων σωματιδίων. Αυτό μπορεί να περιορίσει τις εφαρμογές της επιτάχυνσης με λέιζερ σε πρακτικές ρυθμίσεις.
Για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Οσάκα, με επικεφαλής τον καθηγητή Yasuhiko Sentoku, έχουν διερευνήσει μια νέα προσέγγιση χρησιμοποιώντας πολλαπλά δοκάρια λέιζερ. Διαχωρίζοντας έναν μόνο παλμό λέιζερ σε πολλαπλά δέσμες και στη συνέχεια ανασυνδυάζοντάς τα με συγκεκριμένο τρόπο, οι ερευνητές ήταν σε θέση να επιτύχουν πιο σταθερή και ελεγχόμενη επιτάχυνση των ηλεκτρονίων και των ιόντων.
Στα πειράματά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα σύστημα λέιζερ υψηλής ισχύος που ονομάζεται "10 PW Laser Facility" στο Ινστιτούτο Μηχανικών λέιζερ (ILE) του Πανεπιστημίου της Οσάκα. Το σύστημα λέιζερ μπορεί να προσφέρει εξαιρετικά έντονα παλμούς λέιζερ με μέγιστη ισχύ 10 Petawatts (PW), η οποία είναι ισοδύναμη με τη συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ολόκληρων των Ηνωμένων Πολιτειών.
Χρησιμοποιώντας πολλαπλά δοκάρια λέιζερ, οι ερευνητές παρατήρησαν βελτιωμένη επιτάχυνση τόσο των ηλεκτρονίων όσο και των ιόντων σε σύγκριση με την περίπτωση ενός μόνο παλμού λέιζερ. Τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια έφτασαν στις ενέργειες αρκετών GEV, ενώ τα επιταχυνόμενα ιόντα έφτασαν στις ενέργειες αρκετών MeV. Η ποιότητα των επιταχυνόμενων σωματιδίων, από την άποψη της εξάπλωσης ενέργειας και της γωνιακής απόκλισης, ήταν σημαντικά καλύτερη με τη χρήση πολλαπλών δέσμες λέιζερ.
Η βελτίωση της απόδοσης επιτάχυνσης των σωματιδίων αποδόθηκε στην πιο σταθερή και ελεγχόμενη αλληλεπίδραση μεταξύ των πολλαπλών δοκιδίων λέιζερ και του πλάσματος. Η χρήση πολλαπλών δοκιδίων επέτρεψε τον καλύτερο έλεγχο της έντασης του λέιζερ και της κατανομής φάσης, η οποία οδήγησε σε πιο αποτελεσματική επιτάχυνση και βελτιωμένη ποιότητα δέσμης.
Η ερευνητική ομάδα πιστεύει ότι η χρήση πολλαπλών ακτίνων λέιζερ μπορεί να ανοίξει το δρόμο για την ανάπτυξη επιταχυντών σωματιδίων που βασίζονται σε λέιζερ επόμενης γενιάς που είναι συμπαγείς, αποτελεσματικοί και ικανοί να παράγουν δοκούς σωματιδίων υψηλής ποιότητας. Αυτοί οι επιταχυντές θα μπορούσαν να έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της θεμελιώδους έρευνας στη φυσική υψηλής ενέργειας, τις συμπαγείς πηγές ακτινοβολίας για ιατρικούς και βιομηχανικούς σκοπούς και τις προηγμένες τεχνικές απεικόνισης, όπως η μικροσκοπία ακτίνων Χ και η τομογραφία.
