فیزیک‌دانان به رکورد جدیدی در تولید پرقدرت‌ترین پرتوهای الکترونی دست یافتند

تیمی از فیزیک‌دانان آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده «SLAC» در مِنلو پارک کالیفرنیا موفق شدند پرقدرت‌ترین و پرجریان‌ترین پرتوهای الکترونی را ایجاد کنند. نتایج این تحقیق در مجله «Physical Review Letters» منتشر شده است.

به‌ گزارش Phys، دانشمندان سال‌ها مداوم به‌دنبال کاربردهای جدیدی برای لیزرهای پرقدرت بوده‌اند؛ از شکافت اتم گرفته تا بازسازی شرایط حاکم درون سیارات دیگر. در این مطالعه جدید، تیم تحقیقاتی توانست قدرت پرتوهای الکترونی را به سطح جدیدی برساند و به آنها قابلیت‌هایی مشابه لیزرهای پرقدرت بدهد.

ایده‌ای ساده با پیاده‌سازی سخت

محققان اذعان دارند ایده ساخت این پرتوهای قدرتمند در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد اما پیاده‌سازی آن به‌شدت پیچیده و چالش‌برانگیز بوده است. اصل ماجرا بر این اساس بود که تا جای ممکن بار الکتریکی زیادی را در کوتاه‌ترین بازه زمانی ممکن فشرده‌سازی کنند. آنها موفق شدند جریانی به بزرگی ۱۰۰ کیلوآمپر را در بازه‌ای تنها برابر با یک کوادریلیونیم ثانیه ایجاد کنند.

در این پژوهش پرتوهای الکترونی پرانرژی از میان شتاب‌دهنده عبور داده شدند. در چنین سامانه‌هایی الکترون‌ها با استفاده از آهنرباهای قدرتمند به سرعت‌های بالاتری رسانده می‌شوند؛ این الکترون‌ها درون محفظه خلأ سوار بر امواج رادیویی حرکت می‌کنند. تیم تحقیقاتی حرکت الکترون‌ها را به اتومبیل‌های مسابقه‌ای تشبیه کرده که در پیست بیضی‌شکل حرکت می‌کنند. در این مسیر، الکترون‌ها تا حدود ۹۹ درصد سرعت نور شتاب می‌گیرند.

همان‌طور که خودروها هنگام رسیدن به پیچ مجبورند تغییر مسیر دهند و سرعتشان را کم کنند، الکترون‌ها نیز هنگام عبور از پیچ‌های مدار، سرعتشان را از دست می‌دهند. برای اینکه الکترون‌ها بتوانند سریع‌تر پیچ را طی کنند، باید از مسیری مستقیم‌تر از آنچه معمول است، عبور کنند.

فشرده‌سازی پرتوهای الکترونی

برای شبیه‌سازی این مسیر، پژوهشگران زنجیره‌ای از الکترون‌ها به طول یک میلی‌متر را در مدار قرار دادند. در این وضعیت الکترون‌های جلویی روی بخش کم‌شیب‌تر موج رادیویی حرکت کردند که باعث شد با انرژی کمتری از پیچ خارج شوند، پدیده‌ای که به آن «چرپ» (Chirp) گفته می‌شود.

پژوهشگران با استفاده از مجموعه‌ای از آهنرباها، الکترون‌ها را مجبور کردند ابتدا به چپ، سپس به راست و مجدد به چپ منحرف شوند تا درنهایت به مسیر اصلی بازگردند. در این فرایند، الکترون‌های کم‌انرژی‌تر نسبت به الکترون‌های پرانرژی‌تر انحراف بیشتری پیدا کردند؛ در نتیجه مسیر الکترون‌های کم‌انرژی طولانی‌تر شد و این فرصت را برای الکترون‌های پرانرژی فراهم کرد که به آنها برسند. این فرایند باعث فشرده‌سازی زنجیره الکترون‌ها شد.

تقویت بیشتر پرتوهای الکترونی با کمک نور و کاربردهای احتمالی

در ادامه پژوهشگران آهنربای دیگری اضافه کردند که انرژی الکترون‌ها را با نور مبادله کرد و باعث شد چیرپ‌ها شدیدتر شوند. درنهایت این زنجیره الکترونی بارها و بارها درون مدار چرخانده شد و هر بار پرتو الکترونی قوی‌تر و کوتاه‌تر شد. در اوج این فرایند، طول پالس به ۳ دهم میکرومتر رسید.

تیم پژوهشی معتقد است این تکنیک می‌تواند به پیشرفت‌هایی در مطالعه فرایندهای شیمیایی منجر شود یا حتی به تولید گونه‌های جدیدی از پلاسما کمک کند. علاوه‌براین چنین پرتوهایی می‌توانند برای درک بهتر ماهیت فضای خالی یا خلأ نیز استفاده شوند.