Plasma Channel Characterisation and Particle-in-Cell Modelling of Discharge-Capillary Targets for Laser-Plasma Accelerators.

Stel je een wereld voor waarin de enorme, kamerbrede machines die worden gebruikt om deeltjes tot ongelooflijke snelheden te versnellen, kunnen worden verkleind tot de grootte van een keukentafel. Dit is de belofte van laser-plasma-versnellers, een technologie die intense lichtflitsen gebruikt om een kielzog in een gas te creëren, net zoals een boot een kielzog in het water creëert, en vervolgens op die golf rijdt om elektronen naar hoge energieën te stuwen. Hoewel wetenschappers al hebben aangetoond dat deze kleine versnellers energieën kunnen bereiken die vergelijkbaar zijn met die van hun gigantische tegenhangers, blijft er een grote hindernis over: ze betrouwbaar genoeg maken om honderden keren per seconde te kunnen vuren zonder te falen. Voor de volgende generatie compacte machines die geavanceerde medische instrumenten kunnen aandrijven of ultrahelder licht kunnen creëren voor beeldvorming, moet de versneller niet alleen één keer werken, maar elke keer dat hij wordt getriggerd perfect functioneren.

Om dit probleem op te lossen, testen onderzoekers bij de Extreme Light Infrastructure in Tsjechië een specifieke methode voor het creëren van de "weg" waarlangs deze elektronen reizen. In plaats van simpelweg een laser in een wolk van gas te blazen en op het beste te hopen, gebruiken ze een klein, hol buisje gemaakt van saffier, gevuld met waterstofgas. Door een krachtige elektrische vonk door dit buisje te sturen, veranderen ze het gas in een plasmakanaal dat fungeert als een glasvezelkabel voor het laserlicht. Dit vooraf gevormde kanaal geleidt de laserpuls, waardoor deze over een langere afstand gefocust blijft en de energieoverdracht efficiënt verloopt. Het doel van het team was om precies te begrijpen hoe dit plasmakanaal er binnenin het buisje uitziet en of het betrouwbaar de hoogwaardige elektronenbundels kan produceren die nodig zijn voor toekomstige toepassingen.

De onderzoekers stelden een experiment op met behulp van een saffier capillaire buis die 15 millimeter lang was met een vierkante dwarsdoorsnede. Ze pompten waterstofgas met een gecontroleerde snelheid in het buisje en vuurden vervolgens een hoogspanningsontlading over de uiteinden van het buisje af. Deze ontlading duurde ongeveer 300 nanoseconden en creëerde een piekstroom van ongeveer 300 ampère. Om te zien wat er binnenin gebeurde, gebruikten ze een gespecialiseerde camera en spectrometer om het licht te observeren dat door het plasma werd uitgezonden. Door te analyseren hoe de spectrale lijnen van het waterstof verbredden, konden ze de dichtheid van de elektronen op verschillende punten langs het buisje en op verschillende momenten in de tijd berekenen. Ze testten twee verschillende gasdoorstroomsnelheden en ontdekten dat een hogere doorstroomsnelheid een dichter plasma creëerde, maar ook meer instabiliteit introduceerde, terwijl een lagere doorstroomsnelheid een stabieler, maar iets minder dicht kanaal opleverde.

De metingen toonden aan dat de plasmadichtheid niet uniform was door het hele buisje. De hoogste dichtheden, die opliepen tot 2,4 maal 10 tot de 18e macht per kubieke centimeter, werden gevonden in het middelste gedeelte van het buisje, dat ongeveer 60 procent van de lengte beslaat. Deze centrale regio is cruciaal, omdat dit de plek is waar de laser geleid moet worden om de elektronen effectief te versnellen. Het team ontdekte ook dat timing alles was; de laserpuls moest binnen een zeer nauwe venster van minder dan 80 nanoseconden na het pieken van de elektrische ontlading bij het doel aankomen. Als de laser te laat arriveerde, zou de plasmadichtheid aanzienlijk dalen, wat de condities die nodig zijn voor versnelling zou verpesten. Dit bevinding benadrukt de noodzaak van uiterst precieze synchronisatie tussen de elektrische vonk en de laserpuls.

Om te begrijpen hoe deze plasmacondities een echte laserstraal zouden beïnvloeden, voerden de onderzoekers gedetailleerde computersimulaties uit met een methode genaamd particle-in-cell modellering. Ze voerden de werkelijke dichtheidsprofielen die ze in het experiment hadden gemeten in de simulatie, samen met de parameters van een krachtig lasersysteem dat momenteel in ontwikkeling is. De simulaties testten twee verschillende scenario's: één waarbij de laserstraal perfect van grootte was om bij het plasmakanaal te passen, en één waarbij dat niet het geval was. Wanneer de laser correct was afgestemd op het kanaal, bleef deze gefocust terwijl hij door het plasma reisde, precies zoals bedoeld. In dit geleide scenario lieten de simulaties zien dat het systeem een elektronenbundel kon producerend met een gemiddelde energie van 670 miljoen elektronvolt, een lading van 30 picocoulomb en een relatief nauwe energiespreiding.

Wanneer de laser echter niet was afgestemd op het kanaal, waren de resultaten heel anders. De laserstraal zou focussen en defocusen op een chaotische manier terwijl hij door het plasma bewoog, een proces dat bekend staat als zelffocussering. In deze ongeleide staat had de resulterende elektronenbundel een veel lagere gemiddelde energie van ongeveer 302 miljoen elektronvolt en een zeer brede energiespreiding, waardoor deze veel minder bruikbaar is voor precieze toepassingen. Hoewel de ongeleide bundel iets meer totale lading droeg, betekenden de slechte kwaliteit en de hoge energiespreiding dat deze moeilijk te gebruiken zou zijn voor het creëren van het scherpe, gefocuste licht dat nodig is voor geavanceerde beeldvorming of vrije-elektronenlasers. De simulaties bevestigden dat zonder de juiste geleiding die door het plasmakanaal wordt geboden, de versneller simpelweg niet de hoogwaardige bundels kan produceren die vereist zijn voor de volgende generatie compacte lichtbronnen.

De studie concludeert dat hoewel het ontlading-capillaire doel een veelbelovende stap voorwaarts is, er nog werk te verrichten is om het systeem te perfectioneren. De huidige opstelling produceert een stabiele, hoog-dichte regio, maar deze beslaat slechts een deel van het buisje, wat suggereert dat langere capillairen nodig kunnen zijn om het volledige versnellingspotentieel uit te buiten. Bovendien is de energiespreiding van de elektronenbundels, hoewel goed, nog niet laag genoeg voor de meest veeleisende toepassingen, zoals het aandrijven van een vrije-elektronenlaser. De onderzoekers zijn van plan om het ontwerp verder te verfijnen, mogelijk door de gasdruk of de vorm van de capillaire buis aan te passen, om nog betere plasmakanalen te creëren. Hun werk biedt een duidelijk stappenplan voor hoe men betrouwbaardere, met een hogere herhalingssnelheid werkende versnellers kan bouwen, waardoor de droom van compacte, hoogenergetische deeltjesmachines dichter bij de realiteit komt.