Прорив DESY: лазерний прискорювач видає 100 пучків електронів/сек

Революційна технологія лазерно-плазмового прискорення частинок зробила значний крок уперед завдяки новому флагманському лазеру KALDERA, розробленому в Німецькому електронному синхротроні (DESY). Ця технологія обіцяє радикально зменшити розміри прискорювачів, потенційно вміщуючи потужні установки в межах звичайної лабораторії, що відкриває величезні перспективи для нових застосувань у медицині, промисловості та фундаментальних дослідженнях. Однак, донедавна головним недоліком прототипів була низька частота генерації пучків частинок — зазвичай лише кілька пострілів на секунду, що недостатньо для реальних практичних завдань.

Нещодавно команда DESY продемонструвала, що їхній новий лазер KALDERA, що живить компактний плазмовий прискорювач під назвою MAGMA, здатен генерувати та прискорювати 100 пучків електронів щосекунди. Це на порядок вище, ніж у попередніх системах, і є вирішальним кроком на шляху до створення стабільних та надійних лазерно-плазмових прискорювачів, придатних для використання поза межами дослідницьких лабораторій. Підвищена частота повторення пострілів відкриває можливість для впровадження систем активної стабілізації параметрів прискорювача, наближаючи цю технологію до перших практичних застосувань.

Для порівняння, у традиційних прискорювачах частинки, найчастіше електрони, отримують енергію, проходячи через серію металевих резонаторів, в які подаються потужні радіочастотні хвилі. Кожен резонатор надає частинкам невеликий «поштовх», збільшуючи їхню енергію. Щоб досягти високих енергій, необхідних для багатьох застосувань, потрібно з'єднати послідовно велику кількість таких резонаторів. Це робить традиційні прискорювачі дуже довгими (іноді кілометри) і, відповідно, надзвичайно дорогими у будівництві та експлуатації.

Лазерно-плазмове прискорення, що активно розвивається останніми десятиліттями, пропонує кардинально інший підхід. У цьому методі надзвичайно короткий, але дуже потужний лазерний імпульс спрямовується в тонку капілярну трубку, заповнену газом, зазвичай воднем, діаметром лише у частки міліметра. Інтенсивне лазерне випромінювання миттєво іонізує газ, перетворюючи його на плазму — стан речовини, де електрони відділені від атомних ядер. Проходячи крізь цю плазму, лазерний імпульс, подібно до човна на воді, створює за собою потужну хвилю плазмових коливань — так званий кільватерний слід (wakefield). Електричні поля в цій плазмовій хвилі можуть бути в тисячі разів сильнішими, ніж у резонаторах традиційних прискорювачів. Завдяки цьому електрони, що потрапляють у цю хвилю, можуть бути прискорені до високих енергій на дистанції всього кількох міліметрів або сантиметрів, а не кілометрів.

Ця технологія потенційно може зменшити розмір прискорювачів у сотні, а то й тисячі разів. Установка, яка раніше займала б сотні метрів, теоретично може вміститися на лабораторному столі або в підвальному приміщенні. «Це дозволить створювати значно дешевші машини, наприклад, компактні джерела рентгенівського випромінювання або вільноелектронні лазери (FEL)», — зазначає Андреас Маєр, провідний науковець DESY з плазмового прискорення. Вільноелектронні лазери генерують надзвичайно яскраве та когерентне рентгенівське випромінювання, яке використовується для дослідження структури матерії на атомному рівні, але сучасні FEL є величезними та дорогими національними установками. Компактні аналоги могли б зробити цю потужну технологію доступнішою для університетів та промислових лабораторій. Декілька прототипів, у тому числі й у DESY, вже продемонстрували життєздатність лазерно-плазмового прискорення. «Ми першими у світі змогли успішно запустити лазерно-плазмовий прискорювач у режимі безперервної роботи понад 24 години», — пояснює Маєр. «Він прискорював електрони з частотою один раз на секунду». Однак, для практичних застосувань, таких як живлення FEL, потрібна частота в сотні або тисячі пострілів на секунду.

Саме цієї мети прагне досягти команда дослідників, що працює з лазером KALDERA. «У майбутньому цей новий лазер має прискорювати до 1000 електронних пучків на секунду», — каже Мануель Кірхен, керівник групи лазерно-плазмового прискорення з високою середньою потужністю в DESY. «Це зробить технологію конкурентоспроможною».

В основі системи KALDERA лежить передова лазерна технологія. Спеціальний лазер-осцилятор спочатку генерує слабкі, але надзвичайно короткі (фемтосекундні) імпульси світла. Потім ці імпульси направляються в серію спеціальних кристалів. Ці кристали попередньо «накачуються» енергією за допомогою інших, так званих помпових лазерів (у випадку KALDERA — зелених лазерів). Проходячи крізь заряджені кристали, слабкі імпульси забирають накопичену енергію, стаючи значно потужнішими. Далі йдуть інші стадії підсилення світла, кожна з яких збільшує енергію імпульсів.

Щоб запобігти руйнуванню оптичних компонентів системи дедалі потужнішими імпульсами, їх тимчасово «розтягують» у часі за допомогою спеціальної оптичної системи (стретчера), збільшуючи їхню тривалість у багато разів. Ці довші, але менш пікові імпульси можна безпечно підсилювати далі. Після фінального підсилення імпульси знову стискаються до початкової надкороткої тривалості за допомогою так званого компресора. Саме тут команда KALDERA застосувала інновацію. «Поверхня елементів нашого компресора складається з тонких діелектричних шарів, що утворюють дифракційну ґратку», — пояснює Гвідо Палмер, керівник розробки лазерів у плазмовій групі DESY. «Ці ґратки поглинають значно менше тепла, ніж золоті покриття, що використовувалися раніше. Це дозволило створити нову конструкцію компресора, яка є ключовою для роботи KALDERA на високій частоті». В результаті на виході установки отримуються надзвичайно короткі та потужні лазерні імпульси, готові для використання в плазмовому прискорювачі.

Команда розпочала будівництво KALDERA у 2020 році за ініціативи директора відділу прискорювачів DESY Віма Лееманса. Нещодавно установка була вперше запущена — і одразу ж досягла видатного успіху. «Вже з першої спроби ми змогли прискорити 100 електронних пучків на секунду за допомогою лазера KALDERA та плазмової комірки MAGMA», — каже Кірхен. Цей результат є не просто рекордом частоти, а й основою для значного покращення якості самих електронних пучків у майбутньому завдяки активній стабілізації.

На даний момент робота лазерно-плазмових прискорювачів чутлива до зовнішніх впливів. Вібрації, коливання щільності повітря на шляху лазерного променя або нестабільність в електромережі можуть суттєво порушувати процес прискорення та негативно впливати на властивості генерованих пучків електронів — їхню енергію, інтенсивність, стабільність траєкторії. «Коли повітря рухається, лазерний промінь також зміщується», — додає Палмер. «Це може призвести до того, що окремі електронні пучки матимуть різну інтенсивність або енергетичний розподіл».

Однак, саме висока частота повторення імпульсів, як у KALDERA, дозволяє впровадити адаптивні технології для компенсації цих флуктуацій в режимі реального часу. Лазер оснащений різноманітними сенсорами, включаючи камери, які точно вимірюють параметри кожного лазерного імпульсу та положення електронного пучка. Якщо вимірювання вказують на відхилення від заданих параметрів через зовнішні збурення, комп'ютер швидко розраховує коригувальний сигнал. Цей сигнал потім керує активними елементами, наприклад, рухомим дзеркалом, яке спрямовує наступний лазерний імпульс так, щоб компенсувати виявлене відхилення. Такі методики корекції можливі лише за умови, що лазер «стріляє» достатньо часто, щоб встигнути виміряти відхилення та внести поправку до наступного імпульсу — що й забезпечує частота 100 Гц системи KALDERA.

«Саме так працюють великі прискорювальні комплекси, як-от накопичувальне кільце PETRA III тут, у DESY», — каже Лееманс. «Ці установки значною мірою покладаються на системи активного зворотного зв'язку, які підтримують стабільну якість електронних пучків для користувачів». «Ми значною мірою виграємо від досвіду DESY в експлуатації прискорювачів світового класу, його технологічного портфоліо та ментальності DESY, яка цінує увагу до деталей», — додає Маєр. Протягом десятиліть DESY розробляє та експлуатує надзвичайно надійні прискорювачі частинок для тисяч дослідників з усього світу.

Команда KALDERA вже розпочала роботи з модернізації лазера для збільшення його енергії, що дозволить у майбутньому досягати вищих енергій електронних пучків. Подальші вдосконалення очікуються в найближчі місяці та роки, оскільки експерти поступово впроваджуватимуть свої ідеї щодо систем зворотного зв'язку та керування.

«Завдяки цим заходам ми сподіваємося досягти кінцевої мети KALDERA за кілька років», — говорить Лееманс. «Ми хочемо створити лазерно-плазмовий прискорювач, який генеруватиме 1000 високоякісних, стабільних електронних пучків на секунду». Це відкриє шлях до нового покоління компактних, потужних та доступних прискорювачів для науки, медицини та промисловості.