High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

यहाँ वर्णित कार्य को समझने के लिए, सबसे पहले आधुनिक कण भौतिकी (particle physics) की बुनियादी चुनौती को समझना आवश्यक है: सूक्ष्म कणों को अविश्वसनीय गति से कैसे चलाया जाए। दशकों से, वैज्ञानिक इलेक्ट्रॉनों को उच्च गति तक धकेलने के लिए मील लंबे विशाल मशीनों का उपयोग करते रहे हैं। ये मशीनें कणों को एक 'किक' देने के लिए रेडियो तरंगों का उपयोग करती हैं, लेकिन जो बल वे लगा सकती हैं, वह सीमित है। यदि आप बहुत कम स्थान में बहुत ज़ोर से धक्का देने की कोशिश करते हैं, तो मशीन टूट जाती है या अक्षम हो जाती है। इसने इन त्वरकों (accelerators) के आकार और लागत को अत्यधिक बनाए रखा है, जिससे यह सीमित हो गया है कि इनका उपयोग कौन कर सकता है और वे क्या कर सकते हैं।

एक अलग दृष्टिकोण, जिसे लेजर वेकफील्ड एक्सेलेरेशन (laser wakefield acceleration) के रूप में जाना जाता है, इस तरह का तरीका प्रदान करता है जिससे इन मशीनों को एक कमरे के आकार तक छोटा किया जा सकता है। रेडियो तरंगों के बजाय, यह विधि गैस में लेजर प्रकाश के एक तीव्र पल्स (pulse) का उपयोग करती है। लेजर इतना शक्तिशाली होता है कि वह गैस के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को खींच लेता है, जिससे प्लाज्मा बन जाता है। जैसे ही लेजर पल्स इस प्लाज्मा के माध्यम से आगे बढ़ता है, यह इलेक्ट्रॉनों को एक तरफ धकेल देता है, जिससे इसके पीछे एक 'वेक' (wake) बनता है, ठीक वैसे ही जैसे पानी में चलती नाव के पीछे लहरें बनती हैं। यह वेक एक शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र बनाता है जो अन्य इलेक्ट्रॉनों को पकड़ सकता है और उन्हें बहुत कम दूरी में उच्च गति तक त्वरित कर सकता है। इसे अच्छी तरह से काम करने की कुंजी लेजर बीम को गैस के माध्यम से यात्रा करते समय केंद्रित और मजबूत बनाए रखना है। यदि बीम फैल जाती है, तो त्वरण रुक जाता है। लंबे समय तक, इतनी शक्तिशाली बीम को लंबी दूरी तक केंद्रित रखना कठिन और अस्थिर था, जिसके लिए अक्सर जटिल सेटअप की आवश्यकता होती थी जिन्हें बनाए रखना कठिन था या जो लेजर द्वारा स्वयं क्षतिग्रस्त हो सकते थे।

चेक गणराज्य के ईली बीमलाइन्स (ELI Beamlines) सुविधा के शोधकर्ताओं ने, मैरीलैंड विश्वविद्यालय के सहयोगियों के साथ मिलकर, इस फोकसिंग समस्या को हल करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक प्रयोगात्मक सेटअप बनाया जो लेजर को निर्देशित करने के लिए केवल दर्पणों (mirrors) का उपयोग करता है, जिससे किसी भी कांच या लेंस के उपयोग से बचा जा सके जो शक्तिशाली बीम की गर्मी से क्षतिग्रस्त या विकृत हो सकते हैं। उनके नवाचार का मूल एक विशेष परावर्तक शंकु (reflective cone) है, जिसे ऑफ-एक्सिस एक्सिकॉन (off-axis axicon) कहा जाता है, जो गैस में प्रवेश करने से पहले लेजर बीम को आकार देने में मदद करता है। इस सेटअप ने उन्हें हीलियम गैस में एक स्थिर चैनल बनाने की अनुमति दी, जो समान प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन का एक सुरक्षित और आसानी से संभालने योग्य विकल्प है।

अपने प्रयोगों में, टीम ने केवल 30 फेमटोसेकंड (femtoseconds) की अवधि वाला एक लेजर पल्स चलाया—एक ऐसा समय पैमाना जिसे समझना भी कठिन है—जिसमें 13 जूल ऊर्जा थी। उन्होंने इस पल्स को दो भागों में विभाजित किया। एक भाग, मुख्य ड्राइवर, इलेक्ट्रॉनों को त्वरित करने के लिए केंद्रित किया गया था। दूसरा भाग, एक विशेष रिंग-नुमा पैटर्न में आकार दिया गया था ताकि हीलियम गैस में एक पूर्व-निर्मित चैनल बनाया जा सके। इस चैनल ने मुख्य लेजर पल्स के लिए एक खोखले पाइप की तरह काम किया, जिससे वह गैस के माध्यम से यात्रा करते समय मजबूती से केंद्रित रहा। शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का परीक्षण दो अलग-अलग गति पर किया। 0.2 शॉट प्रति सेकंड की धीमी दर पर, उन्होंने इलेक्ट्रॉनों को लगभग 5 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा तक सफलतापूर्वक त्वरित किया। यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है, जो दिखाती है कि यह विधि एक ही चरण में उच्च-ऊर्जा बीम उत्पन्न कर सकती है।

टीम ने इस प्रणाली को 3.3 शॉट प्रति सेकंड की बहुत तेज़ दर पर संचालित करने के लिए भी प्रेरित किया। हालांकि उन्होंने इस उच्च गति पर इलेक्ट्रॉन त्वरण को उसी तरह से नहीं मापा, लेकिन उन्होंने यह सिद्ध किया कि लेजर बीम को प्लाज्मा चैनल के माध्यम से लंबे समय तक स्थिर रूप से निर्देशित किया जा सकता है बिना सिस्टम के खराब हुए। यह तकनीक को रोजमर्रा के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, क्योंकि उच्च पुनरावृत्ति दर (repetition rate) का अर्थ है अधिक डेटा और अधिक उपयोगी बीम। हीलियम का उपयोग एक जानबूझकर किया गया चुनाव था; हाइड्रोजन के विपरीत, जो ज्वलनशील है और जिसे सावधानीपूर्वक संभालने की आवश्यकता होती है, हीलियम अक्रिय (inert) है और निरंतर संचालित होने वाली सुविधा में काम करने के लिए सुरक्षित है।

परिणाम दर्शाते हैं कि यह पूर्णतः परावर्तक (all-reflective) दृष्टिकोण सुदृढ़ है। लेंसों के बजाय दर्पणों का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने उन थर्मल विकृतियों से बचा जो अक्सर उच्च-शक्ति लेजर प्रणालियों को प्रभावित करती हैं। उन्होंने पाया कि उत्पादित इलेक्ट्रॉन बीम दिशा में स्थिर थीं और उनका फैलाव कम था, जिसका अर्थ है कि कण एक सघन समूह में साथ रहे। इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा 5 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक पहुँच गई, जो इन स्थितियों के लिए सिद्धांत द्वारा अनुमानित है। टीम ने नोट किया कि यह प्रक्रिया दो लेजर पल्स के बीच एक विशिष्ट समय (timing) पर निर्भर थी ताकि मुख्य पल्स के आने से ठीक पहले चैनल बनाया जा सके, एक नाजुक संतुलन जिसे उनका सिस्टम शॉट दर शॉट बनाए रखने में सफल रहा।

यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने कण त्वरण की हर समस्या को हल कर दिया है, लेकिन यह एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह विधि इतनी सरल है कि इसके लिए मौजूदा लेजर सुविधाओं में बड़े बदलावों की आवश्यकता नहीं है, जिससे यह अन्य अनुसंधान केंद्रों द्वारा अपनाए जाने के लिए सुलभ हो जाती है। यह सिद्ध करके कि एक सुरक्षित गैस और एक टिकाऊ ऑप्टिकल सेटअप के साथ स्थिर, उच्च-ऊर्जा त्वरण संभव है, शोधकर्ताओं ने उन कई बाधाओं को हटा दिया है जिन्होंने इस तकनीक को रोक रखा था। निष्कर्ष बताते हैं कि भविष्य के त्वरक छोटे, सुरक्षित और अधिक विश्वसनीय बनाए जा सकते हैं, जो चिकित्सा और सामग्री विज्ञान के साथ-साथ मौलिक भौतिकी में नई खोजों के द्वार खोल सकते हैं। इस प्रयोग की सफलता किसी एक नाटकीय सफलता में नहीं, बल्कि इस बात के निरंतर प्रदर्शन में निहित है कि एक कठिन समस्या को एक सरल, टिकाऊ डिजाइन से हल किया जा सकता है।