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Este es el primer acelerador de partículas láser pequeño | Ciencias

Desde el objetivo láser y de gas (izquierda) hasta el espectrómetro ondulado (azul) y electromagnético (derecha), el nuevo láser de electrones libres tiene solo 12 metros de largo.

Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai

Por Adrian Chu

Durante dos décadas, los físicos han buscado miniaturizar los aceleradores de partículas, las gigantescas máquinas que actúan como destructores de átomos y fuentes de rayos X. El esfuerzo dio un gran paso, ya que los físicos en China utilizaron un “mini acelerador de campo de plasma” para alimentar un tipo de láser llamado láser de electrones libres (FEL). El FEL de 12 metros no es tan bueno como su predecesor de kilómetros. Sin embargo, otros investigadores dicen que el experimento representa un gran avance en los aceleradores en miniatura.

“Mucho [scientists] Mirará esto como, “¡Sí, eso es muy impresionante!” dice Jeroen van Tilburg, físico de plasma láser en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que no participó en el trabajo. Ke Feng, físico del Instituto de Óptica y Micromecánica de Shanghai (SIOM) que trabajó en el nuevo FEL, no afirma que esté listo para aplicaciones. “Hacer dispositivos como estos que sean útiles y pequeños siempre ha sido nuestro objetivo, pero todavía queda mucho trabajo por hacer”, dice Feng.

Los aceleradores de partículas son caballos de batalla en innumerables campos científicos. Explosión de partículas fundamentales Y Generando intensos haces de rayos X Para estudios de biomoléculas y materiales. Estos aceleradores se extienden por kilómetros y cuestan mil millones de dólares o más. Esto se debe a que dentro de un acelerador convencional, las partículas cargadas, como los electrones, solo pueden ganar energía a esta velocidad. Las moléculas se recogen en grupos presurizados, a través de un tubo de vacío y pasan por cavidades que resuenan con microondas. Tanto como la ola del océano empuja al surfista, estas microondas empujan los electrones y aumentan su energía. Sin embargo, si el campo eléctrico oscilante crece en muy microondas, provocará la liberación de chispas dañinas. Por lo tanto, las partículas pueden ganar un máximo de aproximadamente 100 megaelectronvoltios (MeV) de energía por metro de cavidad.

Para acelerar las partículas en distancias más cortas, los físicos necesitan campos eléctricos más fuertes. Una forma de generarlo es disparar un pulso de luz láser a un gas como el helio. La luz arranca electrones de los átomos, provocando un tsunami de ionización que viaja a través del gas, seguido de una ondulación de electrones que produce un campo eléctrico muy fuerte. Este campo de actividad puede barrer electrones y acelerarlos a 1000 megaelectronvoltios en solo unos pocos centímetros.

Los físicos que esperan aprovechar los campos de Wakefield han demostrado que pueden generar ráfagas de electrones muy breves e intensas. Pero durante una ráfaga, las energías de esos electrones suelen variar en un pequeño porcentaje, que es demasiado grande para la mayoría de las aplicaciones prácticas. Ahora, el físico de SIOM Wentao Wang, Feng y sus colegas han mejorado la salida de su acelerador de campo de plasma lo suficiente como para hacer algo potencialmente útil con él: encender el FEL.

En FEL, los físicos disparan electrones a través de un tubo de vacío y a través de dispositivos lineales llamados ondas. Dentro de la ondulación, pequeños imanes por encima y por debajo del tubo del rayo se alinean como dientes, con los polos norte de los imanes adyacentes alternando hacia arriba y hacia abajo. Cuando los electrones pasan a través de la corrugación, el campo magnético corrugado los sacude hacia adelante y hacia atrás, provocando que emitan luz. Cuando la luz se acumula y se mueve con el grupo de electrones, empuja los electrones hacia atrás y los separa en subgrupos que luego irradian en concierto para amplificar la luz en un rayo láser.

El primer rayo láser del mundoLa fuente de luz coherente Linac (LCLS) revelada en 2009 en SLAC National Accelerator Laboratory, es un FEL impulsado por el famoso acelerador lineal de 3 kilómetros del laboratorio. Investigadores de Europa y Japón también han construido FEL de rayos X de gran formato. Pero al disparar un haz de electrones desde el acelerador de plasma de Wakefield a través de una serie de tres ondas de 1,5 metros de longitud, el equipo de SIOM hizo que el dispositivo FEL fuera lo suficientemente pequeño como para caber en una habitación larga.

Para hacer esto posible, los físicos de SIOM tuvieron que reducir la propagación de energía de los electrones al 0,5%. Tuvieron éxito al optimizar el objetivo del láser y el gas para controlar mejor la aceleración de los electrones y enviarlos más suavemente al tubo de descarga, dice Wang. Los equipos de Estados Unidos y Europa han explorado esquemas más complejos para filtrar electrones de energía específicos, pero el equipo de SIOM adoptó un enfoque más simple, dice Van Tilburg. “Todo se ha mejorado un poco mejor”, dice.

Otros habían usado aceleradores de plasma de wakefield para eliminar la luz de la onda antes. Pero Wang y sus colegas mostraron amplificación, mostrando مما La intensidad de la luz aumenta 100 veces más En la tercera ola, esta semana informaron naturaleza. “Este es un gran paso adelante”, dice Agostino Marinelli, un físico acelerómetro en SLAC.

El diminuto FEL está muy lejos de sus hermanos mayores, que emiten haces miles de millones de veces más brillantes que otras fuentes de rayos X, con una propagación de energía tan baja como 0,1%. El nuevo dispositivo FEL produce pulsos más débiles de radiación UV de longitud de onda más larga con una distribución de energía del 2%. Los investigadores de SLAC también están mejorando el LCLS para producir millones de pulsos por segundo; El nuevo FEL 5 se puede producir por segundo.

Marinelli espera que sea difícil acceder a las longitudes de onda de los rayos X del dispositivo. “Estos son resultados muy impresionantes, pero tendría mucho cuidado de extrapolar esto a las energías de rayos X”, sin embargo, el equipo de SIOM dice que ese es su objetivo. “Es difícil decir cuánto tiempo tomará alcanzar las longitudes de onda de los rayos X sólidos, quizás una década o más”, dice Ruxin Li, físico y miembro del equipo de SIOM. “Estamos deseando que llegue ese día”.

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