Theo nghiên cứu gần đây do các nhà khoa học của Đại học Michigan thực hiện, việc điều chỉnh các phương pháp thử nghiệm lần đầu tiên đạt được khả năng chụp ảnh chỉ trong “một lần” về gia tốc điện tử thông qua máy gia tốc trường phát tia X laser dọc theo quỹ đạo cong. Những kết quả này được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Kỹ thuật dựa trên nguyên lý quang học này có thể giúp các kỹ sư phát triển các dạng máy gia tốc điện tử mạnh hơn phục vụ nghiên cứu cơ bản về vật lý lượng tử và hạt hoặc các máy gia tốc nhỏ gọn hơn để sử dụng trong y học và công nghiệp. So với các máy gia tốc truyền thống cần có quỹ đạo truyền điện tử có thể dài hàng km, máy gia tốc trường phát tia X laser có thể sử dụng năng lượng trên mỗi mét nhiều hơn 1000 lần, cho phép tạo ra các quỹ đạo nhỏ gọn hơn rất nhiều để có thể vừa trong một căn phòng. Thiết bị này bắn tia X laser qua hơi nước, tạo ra plasma bị ion hóa, sau đó tách điện tử khỏi các ion tạo ra “wakefield” (trường khởi phát plasma: vùng thể tích nhỏ có độ dốc thế rất mạnh, trong chùm tia laser hoặc dòng plasma, được sử dụng để tăng tốc các hạt điện tử), tương tự như dấu vết của một chiếc thuyền để lại khi di chuyển trong nước. Sau đó, thiết bị bơm một chùm điện tử vào máy gia tốc và giải phóng ngay lập tức, thu năng lượng nhanh chóng.
Chùm hạt phát ra từ máy gia tốc điện tử plasma laser có thời gian rất ngắn nên sẽ mất ít thời gian hơn để điện tử đi qua thiết diện của một sợi tóc. Toàn bộ quá trình tăng tốc diễn ra rất nhanh, trên một phần nghìn tỷ giây. Cho đến thời điểm này, các quá trình gia tốc điện tử đã được đo thông qua nhiều lần chạy thử nghiệm, được gọi là chế độ bắn nhiều lần, nhưng những phương pháp đó phụ thuộc vào độ ổn định và khả năng tái tạo của máy gia tốc làm tăng khu vực biến đổi giữa các thí nghiệm.
Thiết lập thử nghiệm. Một xung X laser được tập trung vào một tia khí hai giai đoạn để tạo ra tia X electron và betatron. (a) và (b) Sơ đồ hình học của mục tiêu laser trong hai trường hợp tương ứng. Mũi tên màu đỏ đại diện cho quỹ đạo laser. (c) Sự phân bố mật độ khí trung tính theo chiều ngang trung bình được đo ở áp suất 4,1 MPa và cấu hình mật độ khí ở các độ cao khác nhau phía trên đầu bắn tia của máy gia tốc.
Điều cần thiết trong thử nghiệm là phải chẩn đoán chính xác quá trình tăng tốc điện tử để tối đa hóa mức tăng năng lượng của điện tử. Đây có thể là một bước quan trọng thúc đẩy sự phát triển của máy va chạm lepton cấp teraelectronvolt (TeV) trong tương lai được sử dụng để hiểu các định luật cơ bản của tự nhiên. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện chẩn đoán gia tốc điện tử trong một lần bắn được thực hiện trên máy gia tốc trường tia X laser tại Cơ sở Laser nâng cao của Viện Nghiên cứu khoa học quốc gia de la Recherche ở Quebec, Canada. Kỹ thuật này dựa trên hiện tượng xảy ra trong quá trình tăng tốc trường sóng laser được gọi là “bức xạ tia X betatron”, trong đó các điện tử phát ra các photon năng lượng cao trong vùng tia X của phổ điện từ khi dao động ngang. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học điều khiển laser cường độ cao theo một đường dốc mật độ plasma sao cho laser đi theo một quỹ đạo cong, giống như chùm tia điện tử được tăng tốc theo sau laser.
Các photon do điện tử phát ra luôn tuân theo hướng tiếp tuyến của quỹ đạo tức thời của nó. Do đó, các photon phát ra ở những thời điểm khác nhau xuất hiện ở các góc khác nhau và ở các vị trí không gian khác nhau. Các tính chất của photon, cụ thể là năng lượng và phân bố góc của photon, hoàn toàn được xác định bởi các tính chất của chùm điện tử. Do đó, bằng cách đo các đặc tính của photon phân giải không gian, các nhà nghiên cứu có thể ghép quá trình gia tốc điện tử lại với nhau từ một thí nghiệm duy nhất. Ý tưởng cơ bản này được xây dựng bằng cách sử dụng kỹ thuật được gọi là ‘vệt betatron’ cách đây bảy năm và đã chứng minh tính khả thi của nó bằng mô phỏng số.
Kết quả này có thể mở ra những hướng phát triển mới về chi tiết máy gia tốc laser-plasma và ứng dụng trong điều khiển nâng cao chùm tia laser và sự truyền hạt như phát triển các kênh plasma cong để ghép các máy gia tốc trường nhiều tầng. Máy gia tốc trường nhiều tầng sẽ khắc phục các hạn chế về năng lượng của máy gia tốc một tầng, đạt được năng lượng cao hơn cho các hạt. Những năng lượng cao này có thể được sử dụng cho các thí nghiệm cơ học lượng tử, tương tự như những thí nghiệm được thực hiện trên Máy Va chạm Hadron tại CERN, nhưng ở quy mô nhỏ hơn, ít tốn kém hơn. Ngoài việc thăm dò lượng tử, máy gia tốc trường nhiều tầng có thể được áp dụng để sử dụng thực tế nhằm tiêu diệt khối u có mục tiêu trong các phương pháp điều trị ung thư hoặc cắt các vật liệu có mức độ tổn hại nhiệt hạn chế trong công nghiệp.
Từ khóa: tia X; plasma; máy gia tốc; điện tử;
– CMD&DND –
