Utveckling och tillämpningar av laserbaserade acceleratorer
- Diarienummer
- ICA10-0077
- Start- och slutdatum
- 120101-190407
- Beviljat belopp
- 3 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Lund University
- Forskningsområde
- Informations-, kommunikations- och systemteknik
Summary
Detta projekt syftar till att utveckla en unik källa av ultrakorta pulser av synnerligen relativistiska elektroner och hård röntgenstrålning samt att använda den för att visa viktiga tillämpningar inom medicin, biologi och materialvetenskap. Genom att fokusera intensiva laserpulser i en gas, kan mycket stora elektriska fält skapas, upp till teravolt per meter. Sådana fält är 10 000 gånger högre än de som produceras i konventionella acceleratorer. Som ett resultat kan elektroner accelereras till hundratals mega-elektron-volt på bara några få millimeter. Vi avser att utveckla en teknik där två kolliderande laserpulser används för att generera partikelstrålar av enastående kvalitet. Genom att dela upp accelerationen i två steg, kan elektronerna koncentreras till en mycket kort puls med liten energispridning. Dessutom möjliggör tekniken optisk kontroll över till exempel strålpulsernas energi och laddning. Vi ämnar konstruera en experimentstation för forskning om laser-plasma acceleration. Vi kommer att utveckla ny elektronoptik, baserad på permanentmagneter, som kan matcha laser-plasma-acceleratorns litenhet. Vi kommer även att utveckla ny instrumentering, såsom en högupplöst elektronspektrometer och en emittansmätare. Vi kommer dessutom att driva ett ambitiöst forskningsprogram som omfattar såväl grundläggande studier som demonstrationer av utvalda, slagkraftiga tillämpningar.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.