Sam Barber, la gauche, chercheur au Berkeley Lab’s BELLA Center, et Jeroen van Tilborg, chercheur au Centre BELLA, tenir la lentille plasma active, droit, et des aimants dipolaires utilisés dans une expérience de diagnostic par faisceau d'électrons. L'installation a permis des mesures de l'énergie du faisceau d'électrons, avec une portée et une résolution comparables à ce qui est obtenu en utilisant l'aimant de plusieurs tonnes situé derrière eux. Crédit :Marilyn Sargent/Laboratoire national Lawrence Berkeley
Les physiciens du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie découvrent de nouvelles façons d'accélérer les électrons à des énergies record sur des distances record grâce à une technique qui utilise des impulsions laser et de la matière exotique connue sous le nom de plasma. Mais mesurer les propriétés des faisceaux d'électrons à haute énergie produits dans les expériences d'accélération laser-plasma s'est avéré difficile, car le laser à haute intensité doit être dévié sans perturber le faisceau d'électrons.
Maintenant, un nouveau, système compact a été démontré avec succès au Berkeley Lab Laser Accelerator Center (BELLA) pour fournir des mesures simultanées à haute résolution des propriétés de plusieurs faisceaux d'électrons.
Le nouveau système utilise des films à cristaux liquides ultrafins, développé par le professeur Douglass Schumacher et son équipe de l'Ohio State University, rediriger le laser en laissant passer le faisceau d'électrons, largement épargné. Le laser forme un plasma qui réfléchit la majeure partie de sa lumière laser.
Alors que chaque impulsion laser détruit le film de cristal liquide, semblable à une machine à bulles, le film à cristaux liquides est renouvelé par un disque rotatif et un dispositif d'essuyage après chaque tir laser. Les films formés par cet appareil n'ont que des dizaines de nanomètres (milliards de mètres) d'épaisseur, environ un facteur de 1, 000 plus minces que celles des autres systèmes de miroirs plasma régénérables qui utilisent des cassettes VHS, par exemple. Cette réduction d'épaisseur sert à préserver les propriétés du faisceau d'électrons.
La déviation de la lumière laser loin du faisceau d'électrons est essentielle pour produire un diagnostic précis du faisceau d'électrons, a noté Jeroen van Tilborg, un scientifique du Centre BELLA, et il est également crucial pour les expériences d'accélération laser-plasma à plusieurs étages, dans lequel les impulsions laser sont rafraîchies à chaque étape pour fournir un "coup" supplémentaire d'accélération pour le faisceau d'électrons jusqu'à ce qu'il atteigne son accélération requise.
Le miroir plasma à cristaux liquides (LCPM) permet également l'utilisation d'un Dispositif de focalisation fort de 6 centimètres de long pour le faisceau d'électrons, connue sous le nom de lentille à plasma active.
Cette lentille permet une alternative compacte à un grand outil de diagnostic appelé dispositif de spectromètre magnétique, qui a des aimants encombrants qui pèsent plus d'une tonne et sont couplés à une grande alimentation.
"Nous avons pu le remplacer par des aimants dipolaires (bipolaires) de la taille d'un sandwich, " a déclaré Sam Barber, chercheur au Centre BELLA de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP) du Berkeley Lab. « Les accélérateurs à plasma laser peuvent produire des électrons de haute énergie dans des empreintes compactes, mais il reste encore beaucoup à faire pour réduire certains composants, y compris le diagnostic par faisceau d'électrons."
Sam Barber tient une lentille plasma active, la gauche, et des aimants dipolaires utilisés dans une expérience de diagnostic par faisceau d'électrons au Centre BELLA. Crédit :Marilyn Sargent/Laboratoire national Lawrence Berkeley
Il ajouta, « Il s'agit d'une énorme réduction d'échelle. Nous combinons un laser pétawatt (haute puissance) avec des LCPM ultrafins et des lentilles plasma actives, toutes des technologies nouvelles qui viennent d'être développées. Nous les avons combinés tous les trois et nous avons obtenu une belle résultat. Nous faisons de grands pas en avant. Il y a toute une série de nouvelles applications pour lesquelles cela pourrait être utilisé. "
Barber était l'auteur principal d'une étude détaillant les performances et la configuration du nouvel outil de diagnostic, publié dans la revue Lettres de physique appliquée . D'autres chercheurs du Centre BELLA ont participé à l'étude, trop, avec des chercheurs de l'UC Berkeley et de l'Ohio State University. Les avancées actuelles ont été soutenues par LaserNetUS, le réseau récemment formé d'installations laser haute puissance financé par le DOE Office of Science, Bureau des sciences de l'énergie de fusion, et Bureau de la physique des hautes énergies.
Carl Schroeder, un scientifique senior du Berkeley Lab qui est directeur adjoint du Centre BELLA, dit qu'en plus de sa compacité, la nouvelle technique de diagnostic peut collecter plusieurs propriétés de faisceau d'électrons à la fois, y compris la distribution d'énergie détaillée du faisceau d'électrons et l'émittance du faisceau, sur la base d'un seul coup. L'émissivité est une propriété critique d'un faisceau d'électrons qui dicte à quel point le faisceau peut être focalisé. Une faible émittance signifie que le faisceau peut être focalisé jusqu'à un très petit point, crucial pour la plupart des applications d'accélérateurs comme les collisionneurs et les lasers à électrons libres.
"Typiquement, ce sont des diagnostics multicoups, " il a dit, qui font la moyenne des mesures de plusieurs impulsions de faisceau mais ne mesurent pas impulsion par impulsion, comme le fait la nouvelle technique.
Dans la configuration démontrée, un laser est focalisé dans une cellule à gaz, où il crée et interagit avec un plasma, générer et accélérer un faisceau d'électrons. Après avoir traversé cette cellule, le faisceau laser et le faisceau d'électrons combinés arrivent au LCPM, à quel point le laser est dévié pendant que le faisceau d'électrons est transmis - avec une perturbation négligeable.
Le faisceau d'électrons traverse ensuite la lentille à plasma active. La lentille est utilisée pour focaliser le faisceau d'électrons dans une séquence de petits aimants. Le champ magnétique disperse les électrons en fonction de l'énergie, un peu comme la lumière est dispersée par couleur lorsqu'elle passe à travers un prisme.
Le faisceau d'électrons dispersé traverse ensuite un cristal spécial qui produit de la lumière lorsque l'électron le traverse. Des images haute résolution de la signature lumineuse du cristal permettent une cartographie à sous-pourcentage de résolution de l'énergie du faisceau d'électrons, et des mesures d'émittance simultanées.
Les mesures peuvent finalement aider les chercheurs à dépanner, régler, et améliorer les performances des expériences d'accélération laser-plasma, et la configuration pourrait potentiellement être pertinente pour les futures applications de collisionneur et les lasers compacts à électrons libres à rayons X, les chercheurs ont noté, qui pourrait avoir un large éventail d'applications.
"Vous voulez pouvoir caractériser rapidement ces faisceaux et l'utiliser comme retour d'expérience pour l'optimisation, " Barber a déclaré. "Ceci est utile pour la caractérisation et le contrôle des propriétés du faisceau d'électrons."
