Последние новости
Главная / Наука / Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Установлен мировой рекорд по длительности непрерывной работы плазменного ускорителя частиц

Группа ученых и инженеров из германской исследовательской организации Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) достигла очень важного этапа на пути создания ускорителя частиц следующего поколения. Впервые созданный ими экспериментальный лазерно-плазменный ускоритель LUX beamline проработал непрерывно более суток, точнее, в течение 30 часов, генерируя лучи высокоэнергетических электронов. И теперь технология лазерно-плазменного ускорения, по мнению ученых, готова выйти из стен лабораторий в поле практического применения.

Ученые-физики надеются, что метод лазерно-плазменного ускорения станет основой нового поколения мощных и компактных ускорителей частиц. В этом методе луч лазерного света или пучок высокоэнергетических частиц создает плазменную волну во внутреннем объеме ускорителя, геометрия которого тщательно рассчитывается и приближается к идеальной. Плазма — это газ, в котором молекулы газа лишены части своих электронов, в ускорителе LUX в качестве этого газа используется чистый водород.

Импульсы лазерного света проходят сквозь газ в форме тонких энергетических дисков, которые буквально сдирают электроны с атомов водорода и «отметают» эти электроны в нужную сторону. Затем эти электроны ускоряются положительно заряженной плазменной волной, подобно тому, как серферы движутся на гребне морской волны.

Это явление позволяет плазменным ускорителям достигать скоростей и энергий разогнанных электронов в тысячи раз больших, чем это могут сделать самые мощные из существующих линейных или синхротронных ускорителей. Однако, для того, чтобы сделать плазменные ускорители ближе к практическому применению, ученым еще предстоит решить ряд сложных технических проблем, таких как недавно решенная проблема с длительностью непрерывной работы.

Во время рекордного по длительности периода работы ускорителя LUX ученые разгоняли более чем 100 тысяч электронных «пакетов» по одному за каждую секунду времени. Благодаря возможности точной настройки лазера и параметров создаваемой плазменной волны, характеристики выходного электронного луча могут изменяться в широком диапазоне и поддерживаться с высокой точностью. «Теперь нам точно известно то, что мы должны сделать для получения более качественного луча электронов» — пишут исследователи, — «Вскоре мы создадим новую технологию активной стабилизации лучей, которая позволит вывести новый ускоритель на более высокий качественный уровень».

Отметим, что во время рекордного периода работы ускорителя LUX ученые занимались испытаниями работы вакуумной системы, лазеров очень сложной системы управления всем этим. «В принципе, система могла продолжать работать и дальше. Но мы приняли решение остановить ее после 30 часов, так как за это время мы выяснили все нас интересующее» — пишут исследователи, — «После этого мы повторяли подобные запуски еще три раза, каждый раз уточняя некоторые моменты».

«Наша работа демонстрирует, что лазерно-плазменные ускорители являются хорошо управляемыми устройствами, позволяющими получать высококачественные лучи высокоэнергетических частиц» — подводят итог исследователи, — «И мы надеемся, что новые технологии, реализованные нами в конструкции ускорителя LUX, станут основой для создания ускорителей следующих поколений здесь, в DESY, и в других уголках земного шара».

Смотрите также

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Ученым удалось создать лазер совершенно нового класса, луч света которого не подчиняется некоторым фундаментальным законам физики и оптики. Лучи света этого лазера, которые ученые окрестили термином «пространственно-временные волновые пакеты» (spacetime wave packets), подчиняются каким-то особым правилам отражения и преломления. И эти новые правила можно будет в будущем поставить на службу людям в области коммуникационных технологий в первую очередь.

Из школьного учебника физики нам известно, что свет движется с различной скоростью в среде различных материалов. И чем больше плотность материала, через который проходит свет, тем с меньшей скоростью он, свет, движется в объеме этого материала. Наглядной демонстрацией этого принципа, который называется законом Снеллиуса, является ложка, опущенная в стакан с водой. За счет разницы между плотностями воздуха и воды кажется, что ложка «сломана» на границе контакта воздуха и воды.

Однако, лучи света нового лазера полностью игнорируют закон Снеллиуса. Более того, эти лучи не подчиняются второму из фундаментальных законов — принципу Ферма, который определяет, что свет всегда распространяется по самому короткому пути.

«Лучи пространственно-временных волновых пакетов могут быть настроены так, что они не изменят свою скорость или даже аномально ускорятся, проходя из менее плотного материала в более плотный материал» — пишут исследователи — «При помощи этого явления можно будет сделать так, что два импульса, излученные в разные моменты времени, окажутся в одной точке пространства одновременно, или так, что излученные в один момент импульсы окажутся в двух различных точках пространства одновременно».

Такие возможности, которые открывает нам использование пространственно-временных волновых пакетов, может иметь очень серьезные последствия для телекоммуникационной области. Ученые приводят в качестве примера синхронную отсылку сообщений с самолета на две субмарины, находящиеся на одной глубине, но на разном удалении от самолета.

С первого взгляда может показаться, что технология пространственно-временных волновых пакетов противоречит ряду ключевых законов классической физики, но ученые утверждают, что на самом деле все происходит в полном соответствии со Специальной теорией относительности. Ведь данная технология не оперирует собственно колебаниями электромагнитных волн фотонов света, а контролирует скорость, с которой движутся максимумы колебаний волн света. И делается это при помощи устройства, называемого пространственным оптическим модулятором, который реорганизовывает энергию каждого импульса света, «переплетая» его некоторые свойства в пространстве и времени.

«Пространственно-временное преломление света ломает многие из известных нам законов и принципов» — пишут исследователи, — «Но в качестве компенсации этого оно, это явление, дает нам массу новых возможностей для управления распространением света и некоторых его свойств».

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Ученым удалось создать лазер совершенно нового класса, луч света которого не подчиняется некоторым фундаментальным законам физики и оптики. Лучи света этого лазера, которые ученые окрестили термином «пространственно-временные волновые пакеты» (spacetime wave packets), подчиняются каким-то особым правилам отражения и преломления. И эти новые правила можно будет в будущем поставить на службу людям в области коммуникационных технологий в первую очередь.

Из школьного учебника физики нам известно, что свет движется с различной скоростью в среде различных материалов. И чем больше плотность материала, через который проходит свет, тем с меньшей скоростью он, свет, движется в объеме этого материала. Наглядной демонстрацией этого принципа, который называется законом Снеллиуса, является ложка, опущенная в стакан с водой. За счет разницы между плотностями воздуха и воды кажется, что ложка «сломана» на границе контакта воздуха и воды.

Однако, лучи света нового лазера полностью игнорируют закон Снеллиуса. Более того, эти лучи не подчиняются второму из фундаментальных законов — принципу Ферма, который определяет, что свет всегда распространяется по самому короткому пути.

«Лучи пространственно-временных волновых пакетов могут быть настроены так, что они не изменят свою скорость или даже аномально ускорятся, проходя из менее плотного материала в более плотный материал» — пишут исследователи — «При помощи этого явления можно будет сделать так, что два импульса, излученные в разные моменты времени, окажутся в одной точке пространства одновременно, или так, что излученные в один момент импульсы окажутся в двух различных точках пространства одновременно».

Такие возможности, которые открывает нам использование пространственно-временных волновых пакетов, может иметь очень серьезные последствия для телекоммуникационной области. Ученые приводят в качестве примера синхронную отсылку сообщений с самолета на две субмарины, находящиеся на одной глубине, но на разном удалении от самолета.

С первого взгляда может показаться, что технология пространственно-временных волновых пакетов противоречит ряду ключевых законов классической физики, но ученые утверждают, что на самом деле все происходит в полном соответствии со Специальной теорией относительности. Ведь данная технология не оперирует собственно колебаниями электромагнитных волн фотонов света, а контролирует скорость, с которой движутся максимумы колебаний волн света. И делается это при помощи устройства, называемого пространственным оптическим модулятором, который реорганизовывает энергию каждого импульса света, «переплетая» его некоторые свойства в пространстве и времени.

«Пространственно-временное преломление света ломает многие из известных нам законов и принципов» — пишут исследователи, — «Но в качестве компенсации этого оно, это явление, дает нам массу новых возможностей для управления распространением света и некоторых его свойств».

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Группа ученых из университета Индианы, США, и Копенгагенского университета, Дания, преодолев несколько серьезных проблем, разработала технологию производства того, что можно назвать самым ярким флуоресцентным материалом на сегодняшний день. Более того, этот новый материал может эффективно выступать в роли наполнителя для красок и полимерных материалов, открывая возможности для создания элементов солнечных батарей следующего поколения, лазеров и многого другого.

Главная из проблем, которые были упомянуты в первом абзаце, заключается во взаимном влиянии флуоресцентных частиц, которые помещаются внутрь твердого тела или жидкого состава. Эти частицы располагаются хаотически, и большинство переизлучаемых ими фотонов света поглощается частицами, расположенными в непосредственной близости. Более того, если частицы касаются друг друга, то часть энергии поглощенного фотона света отбирается другой частицей. И все это, в свою очередь, снижает уровень флуоресценции, другими словами, краски и твердые материалы выглядят более тускло, чем они могли быть при «правильном» расположении частиц красителя.

Решением этой проблемы стали специальные макроциклические молекулы, имеющие форму звезды, которые не дают соприкасаться и взаимодействовать молекулам флуоресцентного вещества. Состав из этих макро-звезд был подмешан в краситель, и после этого в растворе образовались так называемые ионные изоляционные решетки. Эти решетки могут быть выращены в виде кристаллов, высушены и размолоты в порошки, которые, в свою очередь, могут быть нанесены тонким слоем на поверхности или включены в состав прозрачных полимерных материалов, придавая им соответствующий цвет.

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

В новой технологии есть некоторые особенности. Ранее ученые уже пытались использовать макроциклические молекулы для подобной цели, но в этих попытках ученые использовали цветные молекулы. Сейчас же ученые использовали бесцветные версии таких молекул, что позволило частицам флуоресцентного красителя работать «на полную мощность» за счет наличия свободного пространства между ними.

У новых сверхярких материалов, по мнению ученых, имеется масса областей применения, включая сбор солнечной энергии, лазеры, технологии отображения информации, материалы с «переключаемыми» оптическими свойствами и т.п. И в ближайшем времени ученые планируют продолжить работу над новыми материалами с целью адаптации их производства под условия, специфичные для каждой конкретной области применения.

«Пока мы еще не знаем всех пределов возможностей этих материалов, которые относятся к совершенно новому классу» — пишут исследователи, — «В ближайшее время мы проведем некоторые исследования, которые принесут нам понимание того, как на самом деле работают эти материалы. После чего мы станем способны управлять их свойствами еще на этапе проектирования производства других вещей, в состав которых будут входить наши сверхяркие материалы».

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Группа ученых из университета Индианы, США, и Копенгагенского университета, Дания, преодолев несколько серьезных проблем, разработала технологию производства того, что можно назвать самым ярким флуоресцентным материалом на сегодняшний день. Более того, этот новый материал может эффективно выступать в роли наполнителя для красок и полимерных материалов, открывая возможности для создания элементов солнечных батарей следующего поколения, лазеров и многого другого.

Главная из проблем, которые были упомянуты в первом абзаце, заключается во взаимном влиянии флуоресцентных частиц, которые помещаются внутрь твердого тела или жидкого состава. Эти частицы располагаются хаотически, и большинство переизлучаемых ими фотонов света поглощается частицами, расположенными в непосредственной близости. Более того, если частицы касаются друг друга, то часть энергии поглощенного фотона света отбирается другой частицей. И все это, в свою очередь, снижает уровень флуоресценции, другими словами, краски и твердые материалы выглядят более тускло, чем они могли быть при «правильном» расположении частиц красителя.

Решением этой проблемы стали специальные макроциклические молекулы, имеющие форму звезды, которые не дают соприкасаться и взаимодействовать молекулам флуоресцентного вещества. Состав из этих макро-звезд был подмешан в краситель, и после этого в растворе образовались так называемые ионные изоляционные решетки. Эти решетки могут быть выращены в виде кристаллов, высушены и размолоты в порошки, которые, в свою очередь, могут быть нанесены тонким слоем на поверхности или включены в состав прозрачных полимерных материалов, придавая им соответствующий цвет.

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

В новой технологии есть некоторые особенности. Ранее ученые уже пытались использовать макроциклические молекулы для подобной цели, но в этих попытках ученые использовали цветные молекулы. Сейчас же ученые использовали бесцветные версии таких молекул, что позволило частицам флуоресцентного красителя работать «на полную мощность» за счет наличия свободного пространства между ними.

У новых сверхярких материалов, по мнению ученых, имеется масса областей применения, включая сбор солнечной энергии, лазеры, технологии отображения информации, материалы с «переключаемыми» оптическими свойствами и т.п. И в ближайшем времени ученые планируют продолжить работу над новыми материалами с целью адаптации их производства под условия, специфичные для каждой конкретной области применения.

«Пока мы еще не знаем всех пределов возможностей этих материалов, которые относятся к совершенно новому классу» — пишут исследователи, — «В ближайшее время мы проведем некоторые исследования, которые принесут нам понимание того, как на самом деле работают эти материалы. После чего мы станем способны управлять их свойствами еще на этапе проектирования производства других вещей, в состав которых будут входить наши сверхяркие материалы».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *