Les accélérateurs de plasma se rétablissent en un éclair


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  • Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques de DESY a démontré pour la première fois lors de l’expérience FLASHForward qu’il est en principe possible de faire fonctionner des accélérateurs à plasma aux taux de répétition souhaités par les physiciens des particules et les scientifiques des photons. Cela ouvre la possibilité d’utiliser de tels accélérateurs à gradient élevé comme étages d’appoint dans les installations existantes à taux de répétition élevé, telles que les lasers à rayons X à grande échelle FLASH et XFEL européen, afin d’augmenter considérablement l’énergie de longues trains de particules sur de courtes distances. L’équipe présente les résultats de ses études dans la revue Nature aujourd’hui.

    L’accélération plasma est une technologie innovante à appliquer à la prochaine génération d’accélérateurs de particules en raison à la fois de sa compacité et de sa polyvalence, l’objectif étant d’utiliser les électrons accélérés pour divers domaines d’application dans les domaines scientifique, industriel et médical. L’accélération s’effectue dans un canal extrêmement fin – généralement de quelques centimètres seulement – qui est rempli d’un gaz ionisé, le plasma. Un laser à haute énergie ou un faisceau de particules tiré à travers le plasma peut exciter un fort champ électromagnétique — une sorte de « sillage » — qui peut être utilisé pour accélérer les particules chargées. De cette façon, les accélérateurs à plasma peuvent atteindre des gradients d’accélération jusqu’à mille fois plus élevés que les accélérateurs les plus puissants utilisés aujourd’hui. Ils pourraient ainsi réduire drastiquement la taille d’installations kilométriques comme les collisionneurs de particules ou les lasers à électrons libres.

    Les accélérateurs modernes pour la science de pointe doivent également répondre à des exigences élevées en termes d’efficacité, de qualité du faisceau et de nombre de paquets accélérés par seconde. Afin de générer un nombre particulièrement élevé d’éclairs lumineux ou de collisions de particules dans les plus brefs délais, des milliers, voire des millions de paquets de particules denses doivent être propulsés à travers des accélérateurs en une seule seconde. Les accélérateurs à plasma devraient donc atteindre un taux de répétition similaire pour être compétitifs avec la technologie de pointe des accélérateurs de particules. Les installations de test actuelles pour l’accélération du plasma fonctionnent généralement à des taux de répétition beaucoup plus lents dans la plage de une à dix accélérations par seconde. L’équipe dirigée par Jens Osterhoff, chercheur à DESY, a maintenant prouvé que des taux beaucoup plus élevés sont possibles. « Lors de FLASHForward, nous avons pu montrer pour la première fois qu’en principe, les taux de répétition dans la gamme des mégahertz sont pris en charge par les processus d’accélération du plasma », déclare Osterhoff.

    Chez FLASHForward, l’onde d’accélération – le soi-disant champ de sillage dans le plasma – est générée par un paquet d’électrons de l’accélérateur FLASH qui traverse le plasma à presque la vitesse de la lumière. Les électrons de ce « faisceau d’entraînement » font osciller dans son sillage les électrons libres du plasma et génèrent ainsi des champs électriques très puissants. Ces champs accélèrent les électrons d’un paquet de particules volant directement derrière le groupe conducteur. « Contrairement aux accélérateurs conventionnels, où les ondes électromagnétiques à longue durée de vie stockées dans une cavité résonnante peuvent accélérer plusieurs paquets de particules en succession rapide, les champs électromagnétiques générés dans le plasma se désintègrent très rapidement après chaque processus d’accélération », explique Richard D’Arcy, premier auteur de l’étude. « Pour démarrer un nouveau processus d’accélération similaire, les électrons et les ions du plasma doivent alors avoir « récupéré » approximativement leur état initial de sorte que l’accélération de la prochaine paire de paquets de particules ne soit pas modifiée par celle de la précédente. » Dans leurs expériences , les scientifiques ont profité de l’accélérateur supraconducteur FLASH hautement flexible pour générer des paquets de particules avec des espacements temporels extrêmement courts.

    Le premier paquet généré a traversé le plasma, entraînant un champ de sillage à haute intensité et perturbant ainsi le plasma dans son sillage. À des intervalles variables par la suite, des paires de paquets de particules ont été envoyées à travers la cellule plasma ; le premier entraînant un second champ de sillage et le second étant accéléré par les champs résultants. Les propriétés de ces paquets ultérieurs ont été précisément mesurées par les expérimentateurs et comparées à celles de paquets ayant subi ce processus dans un plasma non perturbé. Résultat : après environ 70 milliardièmes de seconde (70 nanosecondes), il n’était plus possible de distinguer si la deuxième accélération avait eu lieu dans un plasma préalablement perturbé ou non perturbé. « Nous avons pu observer avec précision la décroissance de la perturbation, qui s’est achevée dans les 70 premières nanosecondes, et l’expliquer exactement dans des simulations », explique D’Arcy. « Dans les mesures ultérieures, nous voulons vérifier comment différentes conditions de cadre dans la configuration influencent le temps de récupération de l’onde plasma. » Par exemple, le chauffage du milieu plasma dû au fonctionnement à haute fréquence peut avoir une influence sur la rapidité avec laquelle le plasma prend pour se reconstituer.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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