Electron Injection and Beam Dynamics in a Laser Wakefield Acceleration Driven by Laser Pulses Carrying Orbital Angular Momentum
تثبت هذه الورقة تجريبياً أن تسريع الحزمة الإلكترونية بواسطة حقل ليزر الموجه بـالزخم الزاوي المداري (OAM) ينتج حزم إلكترونية ذات أطياف طاقة عريضة النطاق وبنية طورية متباينة زاوياً، مما يكشف أن البنية الطورية لليزر يمكنها التحكم بفعالية في ديناميكيات الحقن وتشكيل الحزمة في مسرعات البلازما المدمجة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في السعي لبناء مسرعات جسيمات أصغر وأقوى، توجه العلماء إلى تقنية تسمى "تسريع المجال الموجي لليزر". تخيل قاربًا يشق طريقه بسرعة عبر بحيرة؛ فإنه يترك خلفه أثرًا من الأمواج. إذا استطاع راكب أمواج أن يركب تلك الموجة في اللحظة المناسبة تمامًا، يمكن دفعه للأمام بسرعات هائلة. وبطريقة مماثلة، يطلق الباحثون نبضات ضوئية ليزرية فائقة القصر وكثيفة في سحابة من الغاز، مما يؤدي إلى إنشاء بلازما. تدفع نبضة الليزر الجسيمات المشحونة في الغاز جانبًا، مما يخلق أثرًا (wake) من المجالات الكهربائية التي يمكنها تسريع الإلكترونات إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء عبر مسافات لا تتجاوز بضعة سنتيمترات. لعقود من الزمن، حاول العلماء التحكم بدقة في كيفية التقاط هذه الإلكترونات وتسريعها، من خلال تعديل سطوع الليزر أو كثافة الغاز للحصول على نتائج أفضل. ومع ذلك، ظل جانب واحد من شعاع الليزر غير مستكشف إلى حد كبير: وهو شكله والطريقة التي يدور بها ضوؤه.
أثبت فريق من الباحثين مؤخرًا أنه من خلال لف شعاع الليزر نفسه، يمكنهم تغيير سلوك شعاع الإلكترونات بشكل جذري. لقد استخدموا نوعًا خاصًا من نبضات الليزر التي تحمل "زخمًا زاويًا مداريًا"، مما يعني أن موجات الضوء تلتف حول مركز الشعاع مثل لولب (برغي). عندما يصطدم هذا الضوء اللولبي بالبلازما، فإنه لا يخلق فقاعة دائرية بسيطة من الفراغ كما يفعل الليزر القياسي، بل يخلق أثرًا (wake) على شكل حلقة. وجد الباحثون أن هذه الحلقة ليست مستقرة تمامًا؛ إذ يتكون فيها بقعتان ساطعتان متميزتان تدوران بينما تتحرك نبضة الليزر للأمام. تعمل هذه البقع الدوارة كنقاط دخول مفضلة للإلكترونات، حيث تجذبها إلى عملية التسريع عند موقعين مختلفين حول الحلقة.
أُجريت التجربة في مرفق "زيوس" (ZEUS) لليزر في جامعة ميشيغان. أطلق الفريق نبضات ليزر بقدرة ذروة بلغت 126.87 تيروات في تيار من غاز الهيليوم والنيتروجين. وقارنوا بين النتائج باستخدام شعاع ليزر دائري قياسي وبين شعاعهم الجديد اللولبي. عندما استخدموا الشعاع القياسي، كان تيار الإلكترات الناتج عبارة عن كتلة واحدة ضيقة تتحرك للأمام مباشرة. ولكن عندما انتقلوا إلى الشعماعي اللولبي، انقسم تيار الإلكترونات إلى شعاعين منفصلين. لم يكن هذان الشعاعان مختلفين قليلاً فحسب، بل كانا منفصلين بوضوح في الفضاء، حيث يتحركان بزوايا تتراوح بين 20 إلى 40 ميلي راديان بعيدًا عن المركز. علاوة على ذلك، تغيرت الزاوية التي انفصل بها هذان الشعاعان اعتمادًا على طاقة الإلكترونات، مما خلق نمطًا متميزًا تمكن الباحثون من قياسه ورسم خرائط له.
لفهم سبب حدوث ذلك، أجرى العلماء محاكاة حاسوبية تفصيلية لنمذجة التفاعل بين الليزر والبلازما. وأكدت هذه المحاكاة أن الشكل اللولبي لنبضة الليزر تسبب في جعل أثر البلازما يلتوي ويدور. ومع دوران الأثر، قام باحتجاز الإلكترونات عند نقطتين محددتين على طول الحلقة، مما خلق مجموعتين منفصلتين من الجسيمات. كما أظهرت المحاكاة أن الاتجاه الذي دارت فيه هذه الحزم الإلكترونية اعتمد على اتجاه لفة الليزر؛ فإذا التف الليزر في اتجاه واحد، تتبع الإلكترونات مسارًا في اتجاه عقارب الساعة؛ وإذا التف الليزر في الاتجاه الآخر، اتبعت الإلكترونات مسارًا عكس اتجاه عقارب الساعة. أثبت هذا أن الليزر لم يكن يدفع الإلكترونات للأمام فحسب، بل كان يمنحها أيضًا حركة دورانية، حيث نقل زخمه الزاوي إلى الجسيمات المتسارعة.
لقد كان الباحثون حذرين في استبعاد الاحتمالات الأخرى؛ حيث أظهروا أن تأثير الانقسام هذا لم يكن ناتجًا عن عدم استقرار عشوائي أو مجرد شكل حلقي بسيط. فعندما أجروا عمليات محاكاة باستخدام ليزر حلقي يفتقر إلى الالتواء اللولبي، لم ينقسم شعاع الإلكترونات. أكد هذا أن البنية الطورية الفريدة للضوء اللولبي كانت هي المحرك الرئيسي. تشير الدراسة إلى أنه من خلال التحكم في شكل نبضة الليزر، يمكن للعلماء الآن تصميم هيكل حزم الإلكترونات التي ينتجونها بشكل نشط. فبدلاً من إنتاج مجرد تيار واحد مستقيم من الجسيمات، يمكنهم توليد حزم ذات أشكال معقدة ومصممة خصيصًا. يفتح هذا الاكتشاف مسارًا جديدًا للتحكم في تسريع الجسيمات، مما قد يؤدي إلى آلات أكثر دمجًا وتعددًا في الاستخدامات للأبحاث العلمية المستقبلية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.