Лаборатория вместо гигантских комплексов и 100 импульсов в секунду: лазер KALDERA преодолел главное препятствие плазменного ускорителя

Немецкие учёные совершили прорыв в создании компактных ускорителей частиц. Установка KALDERA, разработанная в центре DESY, впервые достигла частоты 100 электронных импульсов в секунду — это важный шаг к внедрению лазерно-плазменных ускорителей в медицину, промышленность и фундаментальную науку. Технология, способная заменить громоздкие километровые комплексы устройствами размером с лабораторный стол, преодолела главное препятствие — низкую скорость генерации частиц.

Традиционные ускорители, подобные тем, что используются в Большом адронном коллайдере, разгоняют электроны с помощью волн в металлических резонаторах. Для высоких энергий требуются десятки таких модулей, что делает системы дорогими и массивными. Лазерно-плазменный метод работает иначе: сверхмощный лазерный импульс, попадая в узкую трубку с ионизированным газом, создаёт волну с электрическим полем в миллионы раз сильнее, чем в классических установках. Это позволяет ускорять частицы за миллиметры, а не километры.

«Представьте, что вместо поезда с сотней вагонов вы используете реактивный двигатель, — говорит Андреас Майер из DESY. — Наша цель — сделать ускорители доступными даже для университетских лабораторий». До сих пор главной проблемой была низкая частота импульсов: ранние прототипы выдавали 1–2 «выстрела» в секунду, тогда как для практических задач, например, в лучевой терапии или анализе материалов, нужны сотни.

KALDERA решает это за счёт многоступенчатой системы усиления. Инновационный компрессор с наноструктурным покрытием, поглощающим меньше тепла, позволил избежать перегрева. Первые тесты показали стабильную работу на 100 импульсах в секунду — в 100 раз больше предыдущих рекордов.

Ключевое преимущество высокой частоты — возможность «ловить» и исправлять помехи в реальном времени. Датчики и камеры отслеживают малейшие сдвиги луча из-за вибраций или подвижности воздуха, а адаптивные зеркала мгновенно корректируют траекторию. Такая система уже используется в ускорителе PETRA III, но теперь её можно миниатюризировать.

Через 2–3 года KALDERA должна выйти на 1000 импульсов в секунду, что откроет двери для коммерческих применений. Среди перспектив — портативные источники рентгеновского излучения для ранней диагностики рака, компактные установки для очистки выбросов заводов и новые типы лазеров, способные «видеть» химические реакции в реальном времени.

Когда установка размером с комнату сможет заменить километровые тоннели, эксперименты, которые раньше были уделом гигантских международных коллабораций, станут рутиной для небольших лабораторий.

 Источник: phys.org