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物理学家为粒子加速器设计新的诊断

基于电离的电荷密度监测器的示意图。 R.Tarkeshian,J.L.Vay等人,Phys。 Rev. X 8,021039

世界尖端的粒子加速器正在推动高亮度光束和超短脉冲的极端,以新的方式探索问题。

为了优化其性能 - 并为下一代设备做好准备,以进一步推动这些极端 - 科学家们设计了一种新工具,可以测量这些光束的亮度,即使对于仅持续飞秒(十亿分之一秒)或阿秒的脉冲(十分之一秒)。比较1阿秒到1秒就好比1秒到317亿年。

该工具还可以测量光束尺寸在几十纳米(十亿分之一米)范围内 - 而不会中断依赖这些光束的实验。

这种被称为“电荷密度监测器”的新工具还可以提供更精确的高能量和高场强束流实验中的基础物理测量方法,并有助于指导寻求缩小粒子对撞机和加速器尺寸和成本的研发工作同时加强他们的能力。


在该模拟中,电子束(蓝色圆圈)通过其电离的氢气和氙气混合物,将混合物转变成质子,氙离子和电子的等离子体。电子束的自电场径向排出等离子体电子。这些离子在自身的自身场中经历库仑爆炸:首先是较轻的氢离子,然后是较重的氙离子。在顶部电极和底部电极之间施加的外部提取场足够高,以在两种类型的离子扩张到大于孔径的直径之前移动通过顶部板中的孔。这种离子捕获是可能的,因为初始气体密度不太高。 Credit:Jean-Luc Vay和RémiLehe / em

使用这种提出的诊断方法的研究也可以影响从等离子体科学到原子物理学的各种学科,并可能导致新的应用和揭示新的物理学。

在美国能源部伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心,研究人员希望通过测量通过气体射流激烈激光束钻探后的颗粒特性来测试该工具。在这样做的时候,他们希望了解这种相互作用产生的电子束脉冲。

“BELLA提供了一个理想的测试平台,用于评估最先进的先进加速器中的光束测量方法的潜力,因为我们的目标是利用我们的紧凑型加速器技术产生最亮的电子超短脉冲串,”Wim说道。 Leemans,劳雷斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)BELLA中心主任和加速器技术与应用物理部门。

“它将为测量和改进BELLA的光束提供强大的工具。”


在该模拟中,激光束穿过氙气并使其电离,将气体转变为多重电离的氙离子和电子的等离子体。冷等离子体电子(绿色圆点)在激光的偏振方向上垂直扩展,但是通过施加的电场被推到底板。然后将单电离氙离子(Xe +,红点),双电离(Xe2 +,粉红点)和三重离子化氙离子(Xe3 +,浅粉红色点)拉到顶板并穿过孔。信用:Jean-Luc Vay和RémiLehe,WARP代码 / em

作为国际团队的一员,李曼斯率领伯克利实验室团队参与了一项技术研究,详细介绍了这种新方法,发表在5月10日出版的Physical Review X期刊上。

伯尔尼大学研究员,之前在Paul Scherrer研究所的Roxana Tarkeshian担任该研究的主要作者,自2015年以来一直在伯尔尼大学教授Thomas Feurer的支持下推行新的诊断方法,基于激光技术和空间物理学的专家。

Tarkeshian表示:“它在高分辨率下的超灵敏测量,以及低成本和紧凑性都属于它的资产。”

这项研究详细描述了强烈的粒子束能够穿过低密度中性气体,通过与强烈粒子束相关的强电场从气体原子中剥离掉电子。在这个过程中会形成一个离子化的(带电的)物质云,称为含有等离子体的离子和电子。

该技术对于电子束和正电子束的单个脉冲的持续时间和尺寸的“前所未有的”分辨率涉及这样的效应,其中束亮度的小变化仅为百分之几到百分之几可能导致数十到数百倍更多Tarkeshian指出,在电场存在下产生的离子。

该过程类似于当强烈聚焦的激光束或X射线脉冲与气体相互作用并使原子电离时发生的情况。但是光束(光子)与其他类型的粒子束在电离过程的物理过程中存在重要差异。

利用光束,电子和离子(带电粒子)在光束的足迹中产生,并且等离子体相关电子具有相对较低的速度并倾向于围绕离子列悬垂直到它们被外部电场拉开。带有正电荷的离子然后向相反方向漂移并且可以被测量。

对于电子(带负电)或正电子(带正电)的粒子束,电场的形状类似于一个圆环,并产生一个环形的等离子柱,最初没有离子留在光路中 - 圆环的孔。这些粒子束可以为电子提供强有力的反击,从而可以在背后留下环状的离子柱。这些离子可以通过电场引导到检测器,检测器可以测量离子的数量,速度和充电状态。

最新的研究表明,新的测量工具还可以在正确的操作条件下从这种“离子甜甜圈”中收集有关光束本身的更多信息 - 例如,使用正确的密度和气体混合。

该团队使用伯克利实验室精炼的计算机代码(称为WARP)和另一个称为VSim的代码进行了复杂的模拟。研究人员模拟了粒子和光子束与气体的相互作用以及随之而来的与等离子体相关的动力学。

“模拟使我们能够缩小空间和时间 - 从厘米级到光束的亚微米级大小,并遵循不同时间尺度下电子和离子的动力学和分布,”高级科学家Jean-Luc Vay说。在伯克利实验室为WARP代码做出贡献,并领导实验室ATAP部门的加速器建模程序。

Vay指出,代码的各个方面被证明是精确建模和理解粒子束与光子束效应之间差异以及寻找调谐和操作系统的最佳方式的关键。

一旦完整的诊断系统在加速器系统中实施,模拟将有助于实际检查实验中的实际测量结果,并有助于开发优化光束性能的路径。

她说:“小的变化可以非常精确地解决,基于单个束脉冲的测量。

她提到,这项技术也为研究电荷诱导的物质动力学提供了可能性,并且可以提供更多洞察利用阿秒光子脉冲研究的基本原子或分子过程的时间尺度,她说,其中包括一种称为量子隧道效应的特性,其中a粒子可以自发地通过原子的势垒“隧道”而不顾经典物理学。

Tarkeshian指出,拟议的诊断可能对现有的X射线自由电子激光器(XFEL)有用,例如SLAC国家加速器实验室的利纳克相干光源(LCLS)X射线FEL,德国DESY的FLASH设施,瑞士Paul Scherrer研究所(PSI)的SwissFEL以及正在建设中的设施,如SLAC的LCLS-II。

例如,在LCLS的支持和SLAC科学家Patrick Krejcik的贡献下,由Tarkeshian和PSI团队设计并制造的原型已经安装在LCLS上,用于诊断加速器产生的超短高能电子束。

Tarkeshian指出,已经开发了其他工具来提供加速器和XFEL光束性质的测量,但是随着光束的脉冲将越来越多的强度和能量包装到更短和更短的脉冲中,需要新工具来跟上这些极端光束。

她记录了几十年前在SLAC测试加速器项目中提出的诊断工作,称为最终焦点测试光束(即FFTB),为此新设计概念铺平了道路。

“在我们最新的工作中,我们不仅研究了这些概念,还研究了这种技术可能面临的实验性挑战,”Tarkeshian说。

她补充说:“几十年前用新想法重振这个未完成的概念是件好事,在持续的支持下我们可以发挥其潜力。” “这是一条非常开放的道路,我们刚刚开始。”

李曼斯说:“我们认为这种创新技术的实际应用最终将对国际高能物理学和一般加速器驱​​动的科学界产生广泛的兴趣。”

这项工作得到了美国能源部科学办公室高能物理办公室,欧盟第七框架计划和瑞士国家科学基金会的支持。

出版物:R.Tarkeshian等人,“用于超声波电子束表征的横向空间电荷场诱导的等离子体动力学”,Physical Review X,2018; DOI:10.1103 / PhysRevX.8.021039