Forscher enthüllen neue Elektronenringbildungen

Forscher enthüllen neue Elektronenringbildungen

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Anonim

von Breanna Bishop, Lawrence Livermore National Laboratory

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Die Laser-Wakefield-Beschleunigung, bei der die Elektronenbeschleunigung von Hochleistungslasern angetrieben wird, ist dafür bekannt, dass sie Elektronenstrahlen mit hoher Energie in Abständen auf dem Tisch erzeugen kann. In jüngsten Experimenten entdeckte ein Team von Wissenschaftlern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der University of California, Los Angeles (UCLA) zusätzlich zu den normalerweise beobachteten Strahlen neue, noch nie dagewesene Elektronenringbildungen.

In einem kürzlich veröffentlichten Physical Review Letters beschrieb das Team Elektronenbeschleunigungsexperimente, die an der Jupiter Laser Facility des LLNL durchgeführt wurden. Unter Verwendung des Ultrakurzpuls-Callisto-Lasersystems wurde ein Plasma in einem Gaszellentarget niedriger Dichte erzeugt. Die Wechselwirkung des Hochintensitätslasers mit dem Gas erzeugte eine relativistische Plasmawelle, die dann einen Teil der Elektronen im Plasma auf mehr als 100 Megaelektronenvolt (MeV) beschleunigte.

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Dieses Bild aus der 3D-Simulation zeigt den Laserpuls, der sich nach rechts durch das Plasma mit niedriger Dichte ausbreitet. Der schwarze Bereich hinter dem Laser enthält Hintergrundionen, die für die Beschleunigung der Elektronen in diesem Bereich auf hohe Energie verantwortlich sind. Die weißen Konturen repräsentieren Bereiche mit hoher Hintergrundelektronendichte; Der grob dreieckige Bereich, den sie zwischen den beiden schwarzen Bereichen bilden, wird als "Tasche" bezeichnet und ist in der Lage, Elektronen durch das Plasma zu leiten und es mit einer ringartigen Struktur zu belassen.

Diese Elektronenstrahlen werden üblicherweise entlang der Laserachse gerichtet und weisen eine relativ geringe Divergenz auf. Bei diesen Experimenten wurden die typischen Strahlen beobachtet, in bestimmten Fällen wurde jedoch auch ein zweiter, außeraxialer Strahl beobachtet, der eine ringartige Form aufwies. Dieses neue Merkmal war noch nie zuvor beschrieben worden, und sein Ursprung war unklar, bis die UCLA-Mitarbeiter die rechenintensiven dreidimensionalen Berechnungen der experimentellen Bedingungen abgeschlossen hatten.

"Die Dynamik der Plasmawelle wird häufig in Simulationen berechnet, aber der kleine räumliche Maßstab und die schnelle Zeitskala des Wakefield-Prozesses haben die direkte Messung vieler Effekte schwierig oder unpraktisch gemacht", sagte Hauptautor Brad Pollock. "Durch die Entdeckung neuer Merkmale, wie der hier gezeigten Elektronenringe, können wir mit viel größerer Sicherheit einen Vergleich mit Simulationen anstellen und daraus schließen, was in den Experimenten vor sich geht."

In den Simulationen wurde während des Wachfeldbeschleunigungsprozesses eine ringförmige Elektronenstruktur erzeugt, wenn das Plasma lang genug und die Gesamtzahl der Elektronen groß genug war, um die Plasmawellenstruktur zu stören. Unter diesen Bedingungen wurde die Plasmawellenstruktur so modifiziert, dass einige Elektronen von der Laserachse in eine "Tasche" außerhalb der Plasmawelle gedrückt wurden, die dann einige dieser Elektronen durch den Rest des Plasmas leitete.

"Zusätzlich zu den diagnostischen Implikationen dieses speziellen Merkmals ist es möglicherweise auch möglich, die Parameter von Elektronenringstrahlen auf ihre eigenen Anwendungen zuzuschneiden, einschließlich der Beschleunigung positiv geladener Teilchen - beispielsweise Positronen", fügte Pollock hinzu.