عندما يتعلق الأمر باكتشافات رائدة في فيزياء الجسيمات ، يعتمد العلماء على مسرعات الجسيمات الكبيرة لإجراء تجارب متقدمة. تستخدم هذه الآلات القوية مسارات ومغناطيس طويل لدفع الجزيئات إلى سرعات عالية.
ومع ذلك ، فإن مثل هذه التسريعات ضخمة ومكلفة إلى حد كبير. للتغلب على هذه القيود ، كان العلماء يعملون على تسارع البلازما بالليزر ، وهي تقنية مثيرة يمكن أن تؤدي إلى تطوير مسرعات أصغر وأرخص وأكثر سهولة.
لا يوجد حجم مسرع للليزر على بعد بضعة سنتيمترات ، ولكن يمكنه تسريع الجسيمات إلى سرعات وطاقات عالية جدًا اللازمة للتجارب العلمية. من الناحية النظرية ، فإنه يستخدم نبضات ليزر مكثفة وموجات البلازما بدلاً من المغناطيس التقليدي.
الآن ، حقق فريق من الباحثين من مرفق الأبحاث الألماني Deutsches Elektronen-Snchrotron (DESY) تقدمًا كبيرًا في تحقيق تقنية تسارع الليزر واللاسما. في آخر دراستهم ، يقترح العلماء طريقة جديدة لتعزيز جودة عوارض الإلكترون التي تنتجها مسرعات البلازما بالليزر.
“باستخدام نظام تصحيح ذكي ، تمكن فريق البحث من تحسين جودة عناقيد الإلكترون بشكل كبير من خلال تسارع البلازما بالليزر. وهذا يجعل التكنولوجيا خطوة أقرب إلى التطبيقات الملموسة ، مثل حاقن قائم على البلازما لخاتم تخزين متزامن” ، يلاحظ مؤلفو الدراسة.
نهج تصحيح مرحلتين
حاليًا ، هناك تحديان رئيسيان في تكنولوجيا تسارع البلازما بالليزر: توحيد الشعاع وتوزيع الطاقة.
تنشأ هذه المشكلات لأنه لا تتصرف جميع عناقيد الإلكترون (مجموعات من الإلكترونات) من قبل موجة البلازما بنفس الطريقة. يكتسب البعض طاقة أكثر من غيرها ، مما يؤدي إلى عوارض غير متكافئة وأقل قابلية للتنبؤ بها.
لقد وجد مؤلفو الدراسة طريقة لإصلاح هذه المشكلات باستخدام طريقة تصحيح مرحلتين. أولاً ، يرسلون عناقيد الإلكترون غير المتكافئة من تسارع لوكس (ليزر وأشعة إلكترونية خالية من الأشعة السينية) من خلال ترتيب خاص لأربعة مغناطيس يسمى تشيكان.
يفرض هذا التشيكان الإلكترونات على أخذ مسار ، والذي يمتد إلى الحافظة في الوقت المناسب ويفصلها أيضًا بناءً على طاقاتها. ونتيجة لذلك ، تنتهي الإلكترونات الأسرع والعالي الطاقة في مقدمة المجموعة الممتدة ، وتنتهي الإلكترونات البطيئة ذات الطاقة المنخفضة في الظهر.
بعد ذلك ، تدخل هذه المجموعة الممتدة والفرز من الإلكترونات إلى جهاز (مرنان) مماثل لتلك المستخدمة في مسرعات الجسيمات العادية. يستخدم هذا الجهاز موجات الراديو إما لإبطاء الإلكترونات أو تسريعها.
وقال بول وينكلر ، المؤلف الرئيسي للدراسة: “إذا قمت بوقت وصول الحزمة بعناية إلى تردد الراديو ، يمكن تسريع الإلكترونات منخفضة الطاقة في الجزء الخلفي من المجموعة ، ويمكن تباطؤ الإلكترونات عالية الطاقة في المقدمة. هذا يضغط على توزيع الطاقة”.
تضمن العملية أن طاقة جميع الإلكترونات في المجموعة متساوية إلى حد ما. باستخدام هذا النهج ، تمكن فريق DESY من إحداث اختلافات في الطاقة خلال مجموعة أصغر 18 مرة والطاقة الكلية للمجموعات 72 مرة أكثر اتساقًا. جعلت هذه النتائج عناقم البلازما المتسارعة بالليزر باقة الإلكترون تقريبًا مثل تلك التي تنتجها المتسارعون التقليديون والعملاء.
من النظرية إلى الواقع
الباحثون في DESY متفائلون بعد تجربتهم الناجحة التي حولت فكرة نظرية إلى واقعية لأول مرة. لم يتم إظهار طريقة تصحيح مرحلتين أبدًا حتى الآن.
“إن ما حققناه هو خطوة كبيرة إلى الأمام بالنسبة لمسرعات البلازما. لا يزال لدينا الكثير من أعمال التطوير التي يتعين القيام بها ، مثل تحسين الليزر وتحقيق العملية المستمرة ، ولكن من حيث المبدأ ، أظهرنا أن تسارع البلازما مناسب لهذا النوع من التطبيق” ، لاحظ Wim Leemans ، أحد مؤلفي الدراسة.
يفهم العلماء كيف يمكن استخدام هذه التقنية. إنهم يعتقدون أنه قد يساعد في إنشاء وتسريع مجموعات الإلكترون التي يمكن إطعامها في آلات الأشعة السينية القوية مثل Petra III.
Petra هي منشأة علمية كبيرة في Desy والتي تستخدم الإلكترونات سريعة الحركة لإنتاج الأشعة السينية المشرقة للغاية. تساعد هذه الأشعة السينية العلماء على فحص مختلف المواد والجزيئات والعينات البيولوجية بتفصيل كبير.
تم نشر الدراسة في المجلة طبيعة.