RSS
وبینارهای شاخه فیزیک آماری انجمن فیزیک ایران
چهارمین گردهمایی یک‌روزه بانوان در فیزیک ایران هشتمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۳
شتاب‌دهنده‌های ذرات یکی از بزرگ‌ترین ماشین‌های ساخت بشر هستند که می‌توانند به ذرات انرژی در مقیاس تراالکترون‌ولت (TeV) بدهند. بااین‌حال، برای کشف ذرات جدید یا بررسی شرایط جهان اولیه، درنهایت به انرژی‌های بسیار بالاتری نیاز داریم. هزینه و زمین موردنیاز برای چنین ماشین‌های بزرگی دانشمندان و مهندسان را به کشف تکنولوژی‌های شتاب‌دهنده‌های جایگزین وادار کرده است که می‌تواند ذرات را در فواصل کوتاه تا سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور شتاب دهد۱. یک گزینه امیدوارکننده برای شتاب‌دهنده خطی، شتاب‌دهنده وِیک‌فیلد است که در آن شتاب از شدت میدان الکتریکی به‌دنبال باریکه الکترون‌های نسبیتی، یا درایو (drive)، تولید می‌شود و درون کاواکی (حفره‌ای) از پلاسما حرکت می‌کند. گروهی به رهبری ریچارد تِمکین، در موسسه فناوری ماساچوست، کمبریج، و همکارانش اکنون ساختاری را طراحی و آزمایش کرده‌اند که از صفحات مس و فولاد - یک فراماده- ساخته شده است که مزایای بالقوه‌ای برای شتاب ویک‌فیلد ارائه می‌کند.۲
بیشتر شتاب‌دهنده‌ها انرژی ذرات را بااستفاده‌از میدان الکتریکی شدید بالا می‌برند که با حرکت یک ساختار فلزی متناوبِ میکروموج تولید می‌شود. بااین‌حال، گرادیان شتاب حاصل - انرژی (کسب‌شده) ذره در فاصله‌های دور- محدود به حدود MeV/m ۱۰۰ است، به‌همین دلیل است که شتاب‌دهنده‌ها به چندین کیلومتر فضا نیاز دارند تا به انرژی یک تراالکترون‌ولت برسند. در گرادیان‌های شتاب بالاتر، دیواره‌های بیشتر ساختارهای فلزی نمی‌توانند میدان الکتریکی میکروموج را تحمل کنند و شکست الکتریکی رخ می‌دهد۳. در رویکرد شتاب ویک‌فیلد، محدوده تغییر می‌تواند بسیار بالاتر باشد، زیرا در این روش، به‌طور معمول،از مواد دی‌الکتریک با میدان‌های شکستی بالا، یا پلاسما، استفاده می‌شود که در اصل حد شکست ندارد. دراینجا انرژی باریکه متحرک به یک پالسِ میکروموجِ شدید و کوتاه (ویک‌فیلد) منتقل می‌شود، که میدان الکتریکی آن می‌تواند ذراتی را شتاب دهد که مستقیماً پشت‌سرهم قرار گرفته‌اند. به‌طور متناوب می‌توان این پالس را مهار کرد تا برای انرژی دادن به ذرات در یک ساختار متفاوت استفاده شود. روش‌های ویک‌فیلد به گرادیان‌هایی از ۱ تا GeV/m ۱۰۰ رسیده‌اند ۴ و ۵، اما تاکنون در تولید مطمئن باریکه‌های شتاب‌دار با کیفیتی قابل‌مقایسه با کیفیتِ تولیدی در ساختارهای فلزی شتاب‌دهنده‌های مرسوم (غیر ویک‌فیلد) موفق نبوده‌اند. دی‌الکتریک‌ها و پلاسما نیز نقایص عملی خود را دارند و تنظیم‌پذیری محدودی نشان می‌دهند.
تمکین و همکارانش در مسیر جدیدی با مهندسی یک فراماده فلزی کار کردند- یک ساختار تناوبی که از بخش‌های مختلفی ساخته شده است- که گرادیان‌های بالای شتاب‌دهنده‌های ویک‌فیلد و درجات بالای تنظیم‌پذیری را ترکیب کرده است. فراماده‌ی آنها یک ساختار با طول ۸ سانتی‌متر از ۴۰ صفحه‌ی «واگن-چرخ» فولاد ضدزنگ ساخته شده که با صفحات جداکننده مسی جابه‌جا می‌شود (شکل ۱). صفحات به‌دقت با دوره‌های ۲ میلی‌متری، که به‌مراتب کمتر از طول‌موج امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های عملیاتی معمولی است، جدا می‌شوند. درنتیجه الکترون‌ها در «باریکه»ی متحرک صفحات «تکی» نمي‌بینند، بلکه تااندازه‌ای اثر ترکیبی از ساختار کلی را می‌بینند: بنابراین فراماده به‌صورت محیطی با ویژگی‌های الکترومغناطیسی جدید ظاهر می‌شود. تمکین و گروهش، با تغییر شکل و هندسه فراماده توانستند ویژگی‌هایی را تنظیم کنند، طوری‌که ویک‌فیلدِ دسته متحرک در یک پالسِ میکروموجِ شدید و کوتاه محدود شده بود. این حدود شانس شکست الکتریکی را به حداقل می‌رساند که برای پالس‌های کوتاه‌تر احتمال آن کمتر است. همچنین با طراحی فراماده می‌توان میدان‌ها را در دیواره‌های ساختارها در (مقدار) حداقل و میدان شتاب‌دار را در (مقدار) بیشینه نگه داشت. درنتیجه درمقایسه با ساختارهای فلزی متداول، شکست الکتریکی از عامل محدودکننده کمتر است و گرادیان بالاتری را می‌توان به‌دست آورد.
تمکین و همکارانش، در مجموعه‌ای از آزمایش‌های انجام‌شده در شتاب‌دهنده ویک‌فیلد آرگون، کارآیی فراماده را مشخص کردند. گروه، دستگاه را برای یک حالت پایه‌ای طراحی کرده بود که فاز و سرعت‌های گروه آن برای نیروی استخراجی از باریکه‌های متحرک ۶۵ مگاالکترون‌ولتی در آرگون بهینه شده بود. علاوه‌براین، فراماده طراحی شده بود تا سرعت گروه منفی داشته باشد، به‌این مفهوم که انرژی ویک‌فیلد نسبت به باریکه به عقب حرکت کند. محققان این ویژگی تجربی را با نشان‌دادن این که بخش قابل توجهی از انرژی تابش‌شده از بخش پشتی ساختار خارج شده بود، ثابت کردند. فراماده می‌تواند نسبت به ساختارهای فلزی معمول ۶ یا گاف نواری فوتونی ۷، انرژی بیشتری از باریکه الکترون خارج کند.
محققان در آزمایش‌های اولیه خود تلاشی برای شتاب‌دادن باریکه عقبی (پشتی) نداشتند. بااین‌حال، از اندازه‌گیری‌های آنها از تابش تولیدی از دو باریکه الکترونی، تخمین زدند که گرادیان دردسترس برای شتاب باید MeV/m ۷۵ باشد. مقیاس‌بندی ساده نشان می‌دهد که MeV/m ۳۰۰ را می‌توان با هشت باریکه متحرک به‌دست آورد. علاوه‌براین، باید بتوانیم بااستفاده‌از باریکه‌های‌های الکترونی کوتاه‌تر و با انرژی بالاتر ساختارهای فراماده‌ی حتی کوچک‌تر با گرادیان‌های بزرگ‌تر داشته باشیم. چنین باریکه‌‌هایی در دسترس هستند، مثلاً در FACET II، یک شتاب‌دهنده آزمایشی که به‌زودی در SLAC کار خواهد کرد.
در جامعه شتاب‌دهنده‌ها رقابت سالم و شدیدی برای رسیدن به بالاترین گرادیان و بالاترین کیفیت باریکه ممکن وجود دارد. یک رویکرد، بهبود ساختارهای فلزی ممکن در شتاب‌دهنده‌های سنتی است که کیفیت بالای باریکه را تضمین می‌کند، اما افزایش نسبتا کمی در گرادیان شتاب ایجاد می‌کند. گزینه دیگر استفاده از مواد جدید مانند پلاسما است که می‌تواند گرادیان‌های بسیار بالاتری ایجاد کند، اما در حال حاضر کیفیت باریکه یک مسئله است. رویکرد تمکین و همکارانش جایی بین این دو است، که در آن از ماده جدیدی استفاده می‌کنند که با این همه فلز است. بنابراین آنها تلاش هوشمندانه‌ای برای بهره‌بردن از هر دو بخش کردند: گرادیان شتاب بالای مواد جدید و کیفیت بالای باریکه ساختارهای سنتی. اغلب مواد جدید دنیا را تغییر داده‌اند- آهن، پلاستیک و سیلیکون را به‌یاد بیاورید. این که آیا فرامواد تغییردهنده بازی برای شتاب‌دهنده‌ها باقی می‌ماند- توانایی آنها در شتاب دادن به ذرات در گرادیان‌های بالا و برآورده‌کردن دیگر الزاماتی که هنوز باید آزمایش شود. اما بازدهی موفقیت آن بالا خواهد بود، و به همین دلیل است که که محققان فعالانه به‌دنبال این نوع نوآوری امیدوارکننده هستند.
نتایج این پژوهش در Physical Review Letters چاپ شده است.
نویسنده: پاتریک موگلی، گروه شتاب‌دهنده‌های آینده، موسسه فیزیک مَکس پلانک، مونیخ، آلمان
پاتریک موگلی، سرپرست گروه AWAKE در موسسه فیزیک مکس پلانک در مونیخ، آلمان، است. او دکترای تخصصی خود را از موسسه پلی‌تکنیک فدرال در لوزان سوییس گرفته است. کارهای تحقیقاتی وی بر شتاب‌دهنده‌های پیک‌فیلد پلاسما متمرکز است. او کرسی استادی هیئت مدیره فیزیک آزمایش AWAKE را دارد و برنامه آزمایش را هدایت می‌کند. او عضو انجمن فیزیک آمریکا و موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) است؛ وی همچنین مدرس برجسته انجمن علمی پلاسمای هسته‌ای IEEE است. او عضو هیئتی از شتاب‌دهنده‌های پیشرفته و جدید در کمیته بین‌المللی شتاب‌دهنده‌های آینده است (ICFA). او در سال ۲۰۱۱ برنده جایزه علم و فناوری شتاب‌دهنده ذرات شد.
مراجع:
- B. Cros and P. Muggli, “Towards a Proposal for an Advanced Linear Collider, Report on the Advanced and Novel Accelerators for High Energy Physics Roadmap Workshop,” (CERN, Geneva, 2017); (PDF).
- X. Lu et al., “Generation of high-power, reversed-Cherenkov wakefield radiation in a metamaterial structure,” Phys. Rev. Lett. 122, 014801 (2019).
- A. Grudiev, S. Calatroni, and W. Wuensch, “New local field quantity describing the high gradient limit of accelerating structures,” Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, 102001 (2009).
- V. Malka et al., “Electron acceleration by a wake field forced by an intense ultrashort laser pulse,” Science 298, 1596 (2002).
- I. Blumenfeld et al., “Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale plasma wakefield accelerator,” Nature 445, 741 (2007).
- C. Jing et al., “Electron acceleration through two successive electron beam driven wakefield acceleration stages,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 898, 72 (2018).
- E. I. Simakov et al., “Observation of wakefield suppression in a photonic-band-gap accelerator structure,” Phys. Rev. Lett. 116, 064801 (2016).
نویسنده خبر: سمانه نوروزی
آمار بازدید: ۲۶۶
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
Server:
Iran (45.82.138.40)
