Development and applications of laser-based accelerators
- Reference number
- ICA10-0077
- Start and end dates
- 120101-190407
- Amount granted
- 3 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
This project aims to develop a unique source of ultra-short pulses of highly relativistic electrons and hard X-rays and to use it to demonstrate key applications in medicine, biology and material science. By focusing high-power, femtosecond laser pulses onto a gas target, extremely large electric fields can be generated, reaching the teravolt-per-metre level. Such fields are 10 000 times greater than those produced in conventional accelerators. As a result, bunches of electrons can be accelerated to hundreds of MeV in just a few millimetres. We intend to develop a technique where two colliding high-power laser pulses are used to generate particle beams of extraordinary quality. By dividing the acceleration in two steps, electrons can be concentrated to a very short pulse with very small energy spread. In addition, this technique facilitates optical control over important electron beam parameters such as energy and charge. We will build an experimental station, dedicated to research on laser-plasma acceleration. We will develop new electron focusing optics, based on permanent magnets, that can match the compactness of the laser-plasma accelerator. We will also develop new instrumentation, such as a high-resolution electron spectrometer and an emittance meter. In addition, we will pursue an ambitious research programme which encompasses fundamental studies as well as proof-of-principle demonstrations of selected high-impact applications.
Popular science description
Projektet syftar till att utveckla en ny, laserbaserad källa för ultrakorta och mycket intensiva pulser av högenergetiska elektroner och röntgenstrålning, samt att med den demonstrera ett antal viktiga tillämpningar. Vid Högeffektlaserlaboratoriet i Lund genereras laserpulser med ca 30 femtosekunders varaktighet och upp till 40 terawatt i toppeffekt. När sådana pulser fokuseras uppnås extrem ljusintensitet. Atomer, t.ex. i en gas, som träffas av sådana pulser joniseras i princip omedelbart och huvuddelen av laserpulsen växelverkar därför med ett plasma, bestående av fria negativt laddade elektroner och positivt laddade joner. Elektronerna trycks snabbt undan av laserpulsen, medan de tyngre jonerna förblir väsentligen stilla under den korta tid laserpulsen varar. Detta leder till en kraftig laddningsseparation med mycket starka elektriska fält, som dessutom följer efter laserpulsen i form av en plasmavåg. Möjligheten att använda dessa extremt starka elektriska fält för att accelerera laddade partiklar till höga energier på mycket kort sträcka utgör grunden för den forskning som planeras i projektet. Partikelacceleratorer har under lång tid varit ett mycket viktigt redskap inom naturvetenskap och teknik. I konventionella acceleratorer begränsas den elektriska fältstyrka som kan användas av risken för elektriska överslag. För att nå höga energier tvingas man därför accelerera över långa sträckor, vilket leder till stora och kostsamma anläggningar. I ett plasma finns inte motsvarande begränsning. Med intensiva laserpulser kan fältstyrkor som är flera tiopotenser högre än i konventionella acceleratorer uppnås, vilket medför att accelerationssträckan kan minskas med motsvarande faktor. Vi avser att vidareutveckla en ny teknik, baserad på kolliderande laserpulser, för att generera energetiska elektronpulser av mycket kort varaktighet och hög kvalitet, t.ex. liten energispridning. Dessutom möjliggör tekniken optisk kontroll över exempelvis pulsernas energi och laddning. En mycket viktig tillämpning av energirika elektroner är produktion av röntgenstrålning. I en laser-plasma-baserad accelerator sker sådan röntgenproduktion samtidigt som elektronerna accelereras i plasmat. De produceras därför i form av extremt korta pulser, perfekt synkroniserade med såväl laserpulserna som med elektronpulserna. Vi avser att använda dessa röntgenstrålar för att demonstrera viktiga tillämpningar, som till exempel att undersöka mycket snabba kemiska reaktioner.