20cm 플라즈마 도파관에서 빛의 속도로 전자 가속

초고속 레이저의 정밀한 제어를 활용하는 과학자들은 20센티미터 범위에서 빛의 속도로 전자를 가속했다. 일반적으로 축구장 10개 크기의 입자 가속기에서 가능한 속도다.

물리학 및 전기 및 컴퓨터 공학 교수 Howard Milchberg가 이끄는 메릴랜드 대학(UMD)의 팀은 콜로라도 주립 대학(CSU)의 Jorge J. Rocca 팀과 공동으로 두 개의 레이저 펄스를 사용하여 이 위업을 달성했다. 첫 번째 펄스는 수소를 분해, 구멍을 뚫고 플라즈마 채널을 통해 수소 가스 제트를 생성했다. 그 채널은 두 번째, 더 높은 전력 펄스를 유도하여 플라즈마에서 거의 빛의 속도로 가속했다.

이 기술을 사용하여 팀은 SLAC 국립 가속기 연구소의 가속기인 1km 길이의 LCLS(Linac Coherent Light Source)와 같은 대규모 시설에서 달성되는 에너지의 거의 40%까지 전자를 가속했다. 이 논문은 최근 Physical Review X 저널에 게재됐다.

“이것은 전적으로 레이저로 구동되는 최초의 다중 GeV 전자 가속기”라고 UMD의 Institute of Research Electronics and Applied Physics와 제휴하고 있는 Milchberg가 말했다.

새로운 작업에 동기를 부여하는 것은 전자를 136억 전자 볼트(GeV)로 가속하는 1km 길이의 ​​LCLS와 같은 가속기다. 이 가속기는 빛의 99.99999993%로 움직이는 전자의 에너지다. LCLS의 전임자는 기본 입자에 대한 세 가지 노벨상을 받은 발견의 배경이다. 이제 원래 가속기의 1/3이 초고속 전자를 사용하여 세계에서 가장 강력한 X선 레이저 빔을 생성하는 LCLS로 변환됐다. 과학자들은 이 X선을 사용하여 작동 중인 원자와 분자 내부를 들여다보고 화학 반응의 비디오를 만든다. 이 비디오는 약물 발견, 최적화된 에너지 저장, 전자 제품의 혁신 등을 위한 중요한 도구다.

수십 GeV의 에너지로 전자를 가속하는 것은 쉬운 일이 아니다. SLAC의 선형 가속기는 매우 긴 일련의 분할된 금속 튜브에서 전파되는 강력한 전기장을 사용하여 전자에 필요한 푸시를 제공합한. 전기장이 더 강력하면 튜브 내부에 번개 폭풍을 일으켜 심각한 손상을 입힐 것이다. 전자를 더 세게 밀 수 없기 때문에 연구원들은 단순히 전자를 더 오래 밀어 입자가 가속할 수 있는 더 많은 활주로를 제공하는 방법을 선택했다. 북부 캘리포니아를 가로지르는 1km 길이의 조각입니다. 이 기술을 보다 관리하기 쉬운 규모로 만들기 위해 UMD와 CSU 팀은 빛 자체를 사용하여 거의 빛의 속도로 전자를 향상시키기 위해 노력했다.

“목표는 궁극적으로 GeV 규모 전자 가속기를 적당한 크기의 방으로 축소하는 것”이라며 “킬로미터 규모에서 미터 규모로 전환하는 것이 이 기술의 목표”라고 UMD의 물리학 대학원생이자 이 연구의 공동 제1저자인 Jaron Shrock은 말했다.

실험실에서 이러한 더 강력한 가속 필드를 생성하는 것은 레이저 후류장 가속이라는 프로세스를 사용한다. 이 프로세스는 밀접하게 집중되고 강렬한 레이저 광의 펄스가 플라즈마를 통해 전송, 방해를 생성하고 그 후류를 따라 전자를 끌어당기는 것이다.

메릴랜드 대학 물리학 박사 후 연구원이자 이번 연구의 공동 제1저자인 Bo Miao는 “레이저 펄스를 보트와 같은 모습으로 상상할 수 있다. 레이저 펄스가 플라즈마에서 이동할 때 매우 강렬하기 때문에 배의 뱃머리에 밀려 옆으로 밀려나는 물처럼 전자를 경로 밖으로 밀어낸다. 그 전자는 배 주위를 돌고 바로 뒤에 모여서 이동한다”고 말했다.

레이저 후류장 가속은 1979년에 처음 제안되어 1995년에 시연됐다. 그러나 전자를 가속할 수 있는 거리는 몇 센티미터로 완고하게 제한되어 있었다. UMD와 CSU 팀이 웨이크필드 가속을 그 어느 때보다 효과적으로 활용할 수 있었던 것은 UMD 팀이 고에너지 빔을 길들이고 에너지가 너무 얇게 퍼지지 않도록 하기 위해 개척한 기술이었다. 그들의 기술은 플라즈마에 구멍을 뚫어 빔의 에너지 집중을 유지하는 도파관을 만든다.

“도파관을 사용하면 펄스가 훨씬 더 먼 거리에 걸쳐 전파될 수 있다”고 Shrock은 설명했다. “

이 기술은 광섬유 인터넷 서비스 및 기타 통신 신호를 전송하는 광섬유 케이블과 유사한 것을 공중에서 생성한다. 또는 더 정확하게는 조심스럽게 조각된 수소 가스 제트에서 나온 것이다.

기존의 광섬유 도파관은 빛을 안내하는 중앙 “코어”와 빛이 새어 나가는 것을 방지하는 주변 “클래딩”의 두 가지 구성 요소로 구성된다. 플라즈마 도파관을 만들기 위해 팀은 추가 레이저 빔과 수소 가스 제트를 사용한다. 이 추가 “가이딩” 레이저가 제트를 통해 이동하면서 수소 원자에서 전자를 떼어내고 플라즈마 채널을 생성한다. 플라즈마는 뜨겁고 빠르게 팽창하기 시작하여 저밀도 플라즈마 “핵심”과 그 주변에 원통형 쉘과 같은 고밀도 가스를 생성한다. 그런 다음 주 레이저 빔(후류에서 전자를 모으는 빔)이 이 채널을 통해 전송된다. 이 펄스의 맨 앞 가장자리는 고밀도 쉘도 플라즈마로 변환하여 “클래딩”을 만든다.

Shrock은 “가장 첫 번째 펄스가 한 지역을 청소하는 것과 같다. 그런 다음 고강도 펄스가 기차처럼 내려와 앞쪽에 서 있는 누군가가 트랙을 던진다”고 말했다.

UMD의 광학적으로 생성된 플라즈마 도파관 기술을 CSU 팀의 고출력 레이저 및 전문 지식과 결합하여 연구원들은 일부 전자를 엄청난 5 GeV로 가속할 수 있었다. 이것은 여전히 ​​SLAC의 대규모 가속기보다 3배 적으며 레이저 웨이크필드 가속으로 달성한 최대값은 아니다(이 명예는 Lawrence Berkeley National Labs 팀에).

그러나 새로운 연구에서 가속의 GeV당 사용된 레이저 에너지는 기록이며 팀은 이 기술이 더 다재다능하다고 설명한다. 그것은 고에너지 물리학에서 LCLS와 같이 작동하는 분자와 원자의 비디오를 찍을 수 있는 X선 생성에 이르기까지 많은 응용 분야에서 유망한 기술이다. 이제 팀이 이 방법의 성공을 시연했으므로 성능을 개선하고 더 높은 에너지로 가속도를 높이기 위해 설정을 개선할 계획이다.

기존의 광섬유 도파관은 빛을 안내하는 중앙 “코어”와 빛이 새어 나가는 것을 방지하는 주변 “클래딩”의 두 가지 구성 요소로 구성된다. 플라즈마 도파관을 만들기 위해 팀은 추가 레이저 빔과 수소 가스 제트를 사용한다. 이 추가 “가이딩” 레이저가 제트를 통해 이동하면서 수소 원자에서 전자를 떼어내고 플라즈마 채널을 생성한다. 플라즈마는 뜨겁고 빠르게 팽창하기 시작하여 저밀도 플라즈마 “핵심”과 그 주변에 원통형 쉘과 같은 고밀도 가스를 생성한다. 그런 다음 주 레이저 빔(후류에서 전자를 모으는 빔)이 이 채널을 통해 전송된다. 이 펄스의 맨 앞 가장자리는 고밀도 쉘도 플라즈마로 변환하여 “클래딩”을 만든다.

Shrock은 “가장 첫 번째 펄스가 한 지역을 청소하는 것과 같다. 그런 다음 고강도 펄스가 기차처럼 내려와 앞쪽에 서 있는 누군가가 트랙을 던진다”고 말했다.

UMD의 광학적으로 생성된 플라즈마 도파관 기술을 CSU 팀의 고출력 레이저 및 전문 지식과 결합하여 연구원들은 일부 전자를 엄청난 5 GeV로 가속할 수 있었다. 이것은 여전히 ​​SLAC의 대규모 가속기보다 3배 적으며 레이저 웨이크필드 가속으로 달성한 최대값은 아니다(이 명예는 Lawrence Berkeley National Labs 팀에).

그러나 새로운 연구에서 가속의 GeV당 사용된 레이저 에너지는 기록이며 팀은 이 기술이 더 다재다능하다고 설명한다. 그것은 고에너지 물리학에서 LCLS와 같이 작동하는 분자와 원자의 비디오를 찍을 수 있는 X선 생성에 이르기까지 많은 응용 분야에서 유망한 기술이다. 이제 팀이 이 방법의 성공을 시연했으므로 성능을 개선하고 더 높은 에너지로 가속도를 높이기 위해 설정을 개선할 계획이다.

“현재 전자는 길이가 20센티미터인 도파관의 전체 길이를 따라 생성되어 에너지 분포가 이상적이지 않다”라고 Miao는 말한다

탁상용 LCLS의 꿈은 아직 현실이 아니지만 저자는 이 작업이 앞으로의 길을 보여주고 있다. Shrock은 “전통적인 가속기는 모든 전자가 유사한 에너지를 갖고 같은 방향으로 이동하는 매우 반복 가능한 빔을 생성한다. 우리는 여전히 다중 GeV 레이저 항적장 가속기에서 이러한 빔 속성을 개선하는 방법을 배우고 있다. 또한 다음 규모의 에너지를 달성할 가능성이 높다”고 말했다.

수십 GeV에서 빔 품질을 유지하면서 가속된 전자를 한 단계에서 다음 단계로 전달하는 여러 웨이크필드 가속기를 준비해야 한다. 따라서 지금과 레이저 웨이크필드 가속에 의존하는 LCLS 유형 시설을 갖는 것 사이에는 먼 길이다.