Bước tiến mới trong công nghệ sản xuất máy gia tốc hạt mini

Nghiên cứu về máy gia tốc hạt mini này có sự tham gia của các nhà khoa học từ UCL, DESY và Đại học Oxford và Hamburg.

Các nhà khoa học của UCL đã đạt được nhiều tiến triển trong việc hiện thực hoá các máy gia tốc hạt mini có thể gia tốc hàng triệu chùm electron mỗi giây bằng sóng plasma.

Triển vọng thu nhỏ máy gia tốc hạt

Kỹ thuật này bao gồm một chùm tia laser hoặc hạt năng lượng cao được bắn vào một ống plasma – một hỗn hợp các nguyên tử bị ion hóa – tạo ra các sóng giống như sóng do tàu cao tốc tạo ra trong nước. Các chùm electron được bắn vào plasma ngay sau đó, ‘cưỡi’ các sóng plasma mới được tạo ra và được tăng tốc lên năng lượng rất cao một cách nhanh chóng.

Tiềm năng giảm kích thước của máy va chạm hạt (ví dụ Máy Va chạm Hadron Lớn, gia tốc proton, dài 27km) và laze điện tử tự do, được sử dụng để thăm dò cấu trúc của vật liệu và quy trình, giống như hình trụ trong đó các điện tử được gia tốc thường chỉ dài vài cm.

Thử nghiệm gia tốc plasma

Gia tốc electron

Đối với hầu hết các ứng dụng của công nghệ, hàng nghìn hoặc hàng triệu chùm electron cần được gia tốc mỗi giây, nhưng do plasma cần ổn định gần với trạng thái ban đầu mỗi khi một chùm mới được bắn vào, nên không chắc liệu mức này có cao không mặc dù tỷ lệ lặp lại là có thể.

Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature, nhóm các nhà nghiên cứu đã gia tốc các electron tại cơ sở FLASHForward tại German Electron Synchrotron (DESY) ở Hamburg để xác định xem plasma trở lại trạng thái ổn định nhanh như thế nào, và nhận thấy rằng nó đã như vậy trong 63 nano giây.

Đồng tác giả Giáo sư Matthew Wing (Vật lý & Thiên văn học UCL) cho biết: “Kết quả này là một tin tích cực – nó cho thấy rằng các máy gia tốc plasma có thể được sử dụng để tăng tốc lên tới 15 triệu chùm electron mỗi giây. Điều này phù hợp với tốc độ lặp lại của máy gia tốc thông thường.”

Đồng tác giả, Tiến sĩ James Chappell, trước đây làm việc tại Vật lý & Thiên văn học UCL và hiện đang làm luận án tại Đại học Oxford, đã phân tích dữ liệu như một phần của luận án Tiến sĩ của ông, đã giành được Giải thưởng luận án Culham năm 2022 cho luận án hay nhất về vật lý plasma của Viện Vật lý . Ông nói: “Các cơ sở thử nghiệm gia tốc plasma hiện nay thường được vận hành ở tốc độ lặp lại chậm hơn nhiều, tăng tốc lên tới 10 triệu chùm electron mỗi giây. Tiềm năng cho tỷ lệ lặp lại cao hơn rất quan trọng để biến điều này thành một công nghệ hữu ích.

“Một khả năng là máy gia tốc sóng plasma có thể được sử dụng trong các thí nghiệm vật lý hạt thế hệ tiếp theo, để va chạm các electron và positron ở tốc độ cao để khám phá vật lý mới. Nó cũng có thể được sử dụng cho các laser điện tử tự do – nơi các điện tử năng lượng cao phát ra các photon và những photon này được sử dụng để thăm dò cấu trúc của tất cả các loại vật liệu và quy trình. Đối với cả hai ứng dụng này, vẫn còn những thách thức kỹ thuật phải vượt qua – ví dụ, làm thế nào chúng ta tránh plasma nóng lên.”

Tương lai của máy gia tốc hạt

Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng các máy gia tốc plasma có thể được sử dụng làm “các giai đoạn tăng cường” trong các cơ sở hiện có như Máy Laser Electron Tự do Tia X Châu Âu (XFEL) tại DESY ở Hamburg để tăng năng lượng của các chuỗi hạt trong khoảng cách ngắn.

Để xác định thời gian phục hồi plasma, nhóm nghiên cứu đã bắn các chùm electron vào plasma trong các khoảng thời gian khác nhau – cách nhau từ dưới một nano giây đến hàng trăm nano giây – và đo năng lượng của các electron sau khi chúng tương tác với plasma. Sau 63 nano giây, họ nhận thấy năng lượng tương đương với các electron được bắn vào plasma ở trạng thái không bị xáo trộn.

Tiến sĩ Richard D’Arcy, tác giả đầu tiên của nghiên cứu từ DESY và là cựu sinh viên UCL, giải thích: “Không giống như trong các máy gia tốc thông thường, nơi các sóng điện từ tồn tại lâu dài được lưu trữ trong một khoang cộng hưởng có thể tăng tốc các chùm hạt liên tiếp nhanh chóng, các trường điện từ được tạo ra trong plasma phân rã rất nhanh sau mỗi quá trình tăng tốc.

“Để bắt đầu một quá trình gia tốc tương tự mới, các electron và ion plasma sau đó phải được ‘phục hồi’ về trạng thái ban đầu sao cho gia tốc của cặp chùm hạt tiếp theo không bị biến đổi bởi gia tốc của chùm hạt trước đó.”

Quỳnh Anh (dịch từ Ucl.ac.uk: https://www.ucl.ac.uk/news/2022/mar/mini-particle-accelerator-step-closer-being-realised)

Tin liên quan:

• 3 lý do nên học lập trình trước tuổi 18
• Những hoạt động giúp trẻ em học cách đặt mục tiêu
• Trẻ em thỏa sức sáng tạo với ngôn ngữ lập trình Scratch
• Trẻ em học FUNiX: Cơ hội và hướng dẫn để chinh phục IT
• Độ tuổi nên cho trẻ em học lập trình và cách để trẻ học CNTT hiệu quả