Ultra-kompaktný urýchľovač častíc urobí prácu na 10-tich cm
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 4. 12. 2023
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
V USA majú iba dva urýchľovače častíc, ktoré dokážu produkovať 10 miliárd elektrónvoltových lúčov častíc a každý z nich je dlhý asi 3 kilometre. No „teraz dokážeme dosiahnuť tieto energie na 10-tich centimetroc,“ tvrdí generálny riaditeľ spoločnosti TAU Systems, ktorá vytvorila ultra kompaktný urýchľovač častíc.
10 centimetrov je dĺžka plynovej komory naplnenej héliom, kde dochádza k skutočnému zrýchleniu v zariadení, ktoré spoločnosť TAU Systems nedávno testovala. Tento ultra-kompaktný pokročilý urýchľovač častíc vyžaduje na spustenie však aj obrovský laser. V tomto prípade je to Texas Petawatt Laser, ktorý je umiestnený na 10 metrov dlhom stole v Centre pre výskum vysokej energetickej hustoty na Texaskej univerzite v Austine.
Tento jeden z najvýkonnejších laserov na svete vyžaruje ultraintenzívne záblesky laserového svetla s energetickými hladinami približne 1000-násobku celkovej inštalovanej kapacity celých USA, no iba raz za hodinu a iba na 150 femtosekúnd, čiže o niečo menej ako miliardtinu času potrebného na výboj blesku.
Celkovo je zariadenie TAU Systems dlhé menej ako 20 metrov a vyžaruje lúče s pozoruhodnou silou 10 GeV. Robí to pomocou upravenej verzie akceleračnej techniky „wakefield“ (bdelé pole), ktorá bola prvýkrát opísaná v roku 1979 a v súčasnosti sa používa v mnohých projektoch urýchľovačov.
Bežný urýchľovač častíc je v skutočnosti séria krúžkov, ktoré, keď sa na ne aplikuje kladné napätie, môžu priťahovať elektróny. Krúžky sú napájané postupne, ťahajú elektróny tunelom rýchlejšie a rýchlejšie a každé sa vypína skôr, ako ho elektrón dosiahne.
Laserom poháňaný urýchľovač bdelého poľa však viac-menej premení samotný svetelný impulz na elektromagnet s rýchlosťou svetla. To spôsobí, že sa za ním prenasledujú častice a získajú mimoriadnu rýchlosť a energiu vo veľmi krátkej vzdialenosti.
Zariadenie TAU Systems používa malú komoru naplnenú plynným héliom. Keď petawattový laser vyšle svetelný impulz cez tento plyn, obrovská energia impulzu ionizuje plyn na plazmu. A keď sa rúti cez túto plazmu, pulz za sebou zanechá brázdu, niečo ako zanechá loď počas plavby. Okrem tohto prípadu vytvára stopu extrémne silných výkyvov elektrického náboja.
Ak sa vstrekne elektrón v správnom čase, tieto masívne pohybujúce sa náboje ho ťahajú a tlačia za svetelný impulz, pričom vyčerpávajú energiu, ale nie rýchlosť, pôvodného laserového impulzu a prenášajú ho na zrýchlený elektrón, ktorý ho poháňa „dobrý zlomok rýchlosti svetla“ na krátku vzdialenosť.
Kľúčovým pokrokom technológie od TAU Systems v tomto zariadení je pomocný ablačný laser, ktorý vystreľuje presne načasované impulzy na kovovú platňu vo vnútri plynového článku a vstrekuje prúd kovových nanočastíc do komory. To môže zvýšiť energiu dodávanú elektrónom, ktoré nasledujú laserové impluzy.
„Je ťažké dostať sa do veľkej vlny bez toho, aby ste sa nepremohli, takže surferi sa nechajú vtiahnuť vodnými skútremi,“ povedal Bjorn „Manuel“ Hegelich, docent fyziky na Texaskej univerzite a generálny riaditeľ spoločnosti TAU Systems. „V našom urýchľovači sú ekvivalentom vodných skútrov nanočastice, ktoré uvoľňujú elektróny v správnom bode a v správnom čase, takže všetky sedia vo vlne. Dostávame do vlny oveľa viac elektrónov, keď a kde chceme, aby boli, namiesto toho, aby boli štatisticky rozložené v rámci celej interakcie, a to je naša tajná omáčka“.
Hegelich a jeho tím vyvíjajú svoj vlastný stolný laserový systém, ktorý podľa nich urobí celý systém ešte kompaktnejším a vystrelí tisíckrát za sekundu namiesto raz za hodinu.
Na čo teda bude ultrakompaktný, vysokoenergetický urýchľovač častíc dobrý? Možno na poháňanie röntgenového lasera s voľnými elektrónmi, ktorý by potenciálne mohol natáčať spomalené videá v atómovom alebo molekulárnom meradle. Mohlo by to byť tiež užitočné pri testovaní toho, ako dobre môžu elektronické komponenty určené na vesmírny let odolávať žiareniu, na zobrazenie vnútorných štruktúr návrhov polovodičových čipov v 3D a potenciálne na vývoj nových spôsobov liečby rakoviny a pokročilej technológie lekárskeho zobrazovania.
Výskumná práca tímu je dostupná v Matter and Radiation at Extremes.
