Για πρώτη φορά, ερευνητές απέδειξαν ότι ένας επιταχυντής λέιζερ-πλάσματος (LPA) μπορεί να τροφοδοτήσει αξιόπιστα ένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων (FEL) για περισσότερες από οκτώ συνεχόμενες ώρες.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο Physical Review Accelerators and Beams από την ομάδα του Finn Kohrell στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, σηματοδοτεί ένα ορόσημο που θα μπορούσε να καταστήσει τη συγκεκριμένη τεχνολογία προσβάσιμη για ευρεία βιομηχανική και ερευνητική χρήση.
Η πρόκληση του μεγέθους και η λύση του πλάσματος
Τα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων παράγουν έντονους παλμούς φωτός, συνήθως στο φάσμα των υπεριωδών ή των ακτίνων Χ, επιτρέποντας στους επιστήμονες να μελετούν την ύλη σε ατομική κλίμακα.
Ωστόσο, οι υπάρχουσες εγκαταστάσεις FEL είναι τεράστιες – για παράδειγμα, το European X-ray Free Electron Laser εκτείνεται σε μια διαδρομή 3,4 χιλιομέτρων.
Οι επιταχυντές λέιζερ-πλάσματος προσφέρουν μια εναλλακτική λύση, καθώς μπορούν να επιταχύνουν ηλεκτρόνια σε ταχύτητες κοντά σε αυτή του φωτός μέσα σε λίγα μόλις εκατοστά. Μέχρι σήμερα, το κύριο εμπόδιο ήταν η αστάθεια των δεσμών, η οποία καθιστούσε αδύνατη τη μακροχρόνια λειτουργία με ακρίβεια.
Ενεργά συστήματα σταθεροποίησης και η δέσμη «φάντασμα»
Για να αντιμετωπιστεί η αστάθεια, η ομάδα του Kohrell ενσωμάτωσε πέντε ενεργά συστήματα σταθεροποίησης στη γραμμή δέσμης του BELLA Center.
Αυτά τα συστήματα πραγματοποιούν διορθώσεις σε πραγματικό χρόνο στην εστίαση του λέιζερ, στην ενέργεια του παλμού και στη διάρκειά του. Επιπλέον, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δέσμη «φάντασμα» χαμηλής ισχύος, η οποία ανιχνεύει ανεπαίσθητες διακυμάνσεις που η κύρια δέσμη δεν μπορεί να καταγράψει άμεσα.
Χάρη σε αυτές τις προσθήκες, ο επιταχυντής παρείχε σταθερές δέσμες ηλεκτρονίων 100 MeV για πάνω από 10 ώρες, επιτυγχάνοντας οκτώ ώρες συνεχούς λειτουργίας του λέιζερ σε ορατό μήκος κύματος 420 nm.
Προς μια νέα γενιά φωτεινών πηγών
Η επιτυχία αυτή ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία συμπαγών και οικονομικά προσιτών πηγών υπεριώδους φωτός και ακτίνων Χ.
Ο επόμενος στόχος της ομάδας είναι η λειτουργία στα 500 MeV, η οποία θα ωθήσει την έξοδο του λέιζερ στα 20-30 nm, αγγίζοντας το όριο μεταξύ υπεριώδους ακτινοβολίας και ακτίνων Χ. Η εξέλιξη αυτή υπόσχεται να φέρει την τεχνολογία αιχμής των λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων στα χέρια πολύ περισσότερων ερευνητών και βιομηχανιών, επιταχύνοντας την καινοτομία σε πολλαπλά επιστημονικά πεδία.