Plasma Channel Characterisation and Particle-in-Cell Modelling of Discharge-Capillary Targets for Laser-Plasma Accelerators.
Questo studio caratterizza target di scarica capillare riempiti di gas e utilizza simulazioni particle-in-cell per dimostrare come canali di plasma ottimizzati possano migliorare la stabilità e la qualità dei fasci di elettroni per acceleratori plasma-laser ad alta ripetizione di frequenza volti ad applicazioni di laser a elettroni liberi compatti.
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Immaginate un mondo in cui le enormi macchine, grandi quanto una stanza, utilizzate per accelerare le particelle a velocità incredibili, potrebbero essere rimpicciolite fino alle dimensioni di un tavolo da cucina. Questa è la promessa degli acceleratori laser-plasma, una tecnologia che utilizza intensi impulsi di luce per creare un'onda in un gas, proprio come una barca crea una scia nell'acqua, e poi cavalcare quell'onda per spingere gli elettroni ad alte energie. Sebbene gli scienziati abbiano già dimostrato che questi piccoli acceleratori possono raggiungere energie paragonabili ai loro giganti controparti, un grande ostacolo rimane: renderli abbastanza affidabili da poter sparare centinaia di volte al secondo senza guastarsi. Per la prossima generazione di macchine compatte che potrebbero alimentare strumenti medici avanzati o creare luce ultra-brillante per l'imaging, l'acceleratore non deve solo funzionare una volta, ma deve funzionare perfettamente ogni singola volta che viene attivato.
Per risolvere questo problema, i ricercatori dell'Extreme Light Infrastructure nella Repubblica Ceca hanno testato un metodo specifico per creare la "strada" su cui viaggiano questi elettroni. Invece di limitarsi a sparare un laser in una nuvola di gas sperando nel meglio, stanno utilizzando un minuscolo tubo cavo fatto di zaffiro, riempito con gas idrogeno. Inviando una potente scarica elettrica attraverso questo tubo, trasformano il gas in un canale di plasma che agisce come un cavo in fibra ottica per la luce del laser. Questo canale preformato guida l'impulso laser, mantenendolo focalizzato su una distanza maggiore e garantendo che il trasferimento di energia sia efficiente. L'obiettivo del team era capire esattamente come appare questo canale di plasma all'interno del tubo e vedere se potesse produrre in modo affidabile i fasci di elettroni di alta qualità necessari per le future applicazioni.
I ricercatori hanno allestito un esperimento utilizzando un tubo capillare di zaffiro lungo 15 millimetri con una sezione trasversale quadrata. Hanno pompato gas idrogeno nel tubo a un tasso controllato e poi hanno scagliato una scarica elettrica ad alta tensione attraverso le estremità del tubo. Questa scarica è durata circa 300 nanosecondi e ha generato una corrente di picco di circa 300 ampere. Per vedere cosa stava accadendo all'interno, hanno utilizzato una telecamera specializzata e uno spettrometro per osservare la luce emessa dal plasma. Analizzando il modo in cui le linee spettrali dell'idrogeno si allargavano, sono stati in grado di calcolare la densità degli elettroni in diversi punti del tubo e in diversi momenti temporali. Hanno testato due diversi tassi di flusso del gas, scoprendo che un tasso di flusso più elevato creava un plasma più denso ma introduceva anche più instabilità, mentre un tasso di flusso più basso produceva un canale più stabile, sebbene leggermente meno denso.
Le misurazioni hanno rivelato che la densità del plasma non era uniforme in tutto il tubo. Le densità più elevate, che raggiungevano 2,4 x 10 alla 18ª per centimetro cubo, si trovavano nella sezione centrale del tubo, coprendo circa il 60 percento della sua lunghezza. Questa regione centrale è cruciale, poiché è dove il laser deve essere guidato per accelerare efficacementamente gli elettroni. Il team ha anche scoperto che il tempo era tutto: l'impulso laser doveva arrivare al bersaglio entro una finestra temporale molto stretta di meno di 80 nanosecondi dopo il picco della scarica elettrica. Se il laser arrivava troppo tardi, la densità del plasma diminuiva significativamente, rovinando le condizioni necessarie per l'accelerazione. Questa scoperta evidenzia la necessità di una sincronizzazione estremamente precisa tra la scintilla elettrica e l'impulso laser.
Per capire come queste condizioni di plasma avrebbero influenzato un vero fascio laser, i ricercatori hanno eseguito dettagliate simulazioni al computer utilizzando un metodo chiamato modellazione particle-in-cell. Hanno inserito i reali profili di densità misurati dall'esperimento nella simulazione, insieme ai parametri di un potente sistema laser attualmente in fase di sviluppo. Le simulazioni hanno testato due scenari diversi: uno in cui il fascio laser era perfettamente dimensionato per corrispondere al canale di plasma, e un altro in cui non lo era. Quando il laser era correttamente accoppiato al canale, rimaneva focalizzato mentre viaggiava attraverso il plasma, agendo esattamente come previsto. In questo scenario guidato, la simulazione ha mostrato che il sistema poteva produrre un fascio di elettroni con un'energia media di 670 milioni di elettronvolt, una carica di 30 picocoulomb e una dispersione di energia relativamente stretta.
Tuttove, quando il laser non era accoppiato al canale, i risultati erano molto diversi. Il fascio laser si focalizzava e defocusava caoticamente mentre si muoveva attraverso il plasma, un processo noto come auto-focalizzazione. In questo stato non guidato, il fascio di elettroni risultante aveva un'energia media molto più bassa, di circa 302 milioni di elettronvolt, e una dispersione di energia molto ampia, rendendolo molto meno utile per applicazioni precise. Sebbene il fascio non guidato portasse una carica totale leggermente superiore, la sua scarsa qualità e l'elevata dispersione di energia lo rendevano difficile da utilizzare per creare la luce nitida e focalizzata necessaria per l'imaging avanzato o i laser a elettroni liberi. Le simulazioni hanno confermato che, senza le adeguate condizioni di guida fornite dal canale di plasma, l'acceleratore semplicemente non può produrre i fasci di alta qualità richiesti per la prossima generazione di sorgenti di luce compatte.
Lo studio conclude che, sebbene il target a capillare a scarica sia un passo promettente, c'è ancora del lavoro da fare per perfezionare il sistema. L'attuale configurazione produce una regione ad alta densità e stabile, ma copre solo una parte del tubo, suggerendo che potrebbero essere necessari capillari più lunghi per sfruttare appieno il potenziale di accelerazione. Inoltre, la dispersione di energia dei fasci di elettroni, sebbene buona, non è ancora abbastanza bassa per le applicazioni più esigenti, come guidare un laser a elettroni liberi. I ricercatori intendono continuare a perfezionare il design, potenzialmente regolando la pressione del gas o la forma del capillare, per creare canali di plasma ancora migliori. Il loro lavoro fornisce una chiara tabella di marcia su come costruire acceleratori più affidabili e ad alta frequenza di ripetizione, portando il sogno di macchine di particelle compatte ed ad alta energia più vicino alla realtà.
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