Ученые создали плазменный ускоритель, одновременно повышающий энергию и яркость электронов

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали инновационную технологию, способную генерировать пучки электронов с высокой энергией и высокой яркостью в ускорителе, размер которого составляет лишь малую долю от современных установок.

Вакуумная камера с плазменным кильватерным ускорителем в эксперименте на FACET-II в SLAC. Автор: Чаоцзе Чжан / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе

Этот прорыв может привести к уменьшению размеров будущих коллайдеров и рентгеновских лазеров на свободных электронах, которые используются для изучения фундаментальных строительных блоков и процессов природы.

Команда под руководством UCLA создала новый плазменный кильватерный ускоритель (PWFA), в котором электроны набирают энергию, «оседлав» плазменную волну, а не получая её от электромагнитного поля внутри металлических структур обычных ускорителей. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Используя уникальные электронные пучки установки FACET-II в SLAC, плазменный ускоритель более чем удвоил энергию вновь созданных электронов в 4-метровой плазменной камере. Для такого же результата в обычном линейном ускорителе потребовалась бы установка длиной более километра. Кроме того, яркость пучка возросла более чем в 10 раз по сравнению с исходным пучком FACET-II. Это новый мировой рекорд для плазменных ускорителей по сочетанию высокого прироста энергии и качества пучка.

Схема формирования нового пучка. Ведущий пучок создаёт плазменный кильватер, который расширяется в области с меньшей плотностью газа, захватывая электроны плазмы и формируя новый пучок. Автор: Чаоцзе Чжан / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе

Ключевая инновация — трёхступенчатый плазменный источник, который действует как «плазменный трансформатор». На первой стадии плазма фокусирует ведущий пучок. На второй, при резком падении плотности плазмы, «пузырь» кильватера быстро расширяется, захватывая электроны плазмы и формируя новый, самоинжектированный пучок высокой яркости. На третьей стадии этот новый пучок «оседлывает» волну и получает мощный энергетический импульс.

«Одна из главных проблем в нашей области заключалась в том, чтобы повысить энергию электронного пучка, не пожертвовав его яркостью — критической мерой его качества», — сказал ведущий автор работы Чаоцзе Чжан.

Эксперимент преодолел этот компромисс, одновременно повысив и энергию, и яркость. «Это веха на пути к доказательству того, что эти ускорители могут производить качество, необходимое для практического применения», — отметил соавтор и директор FACET-II Марк Хоган.

Технология открывает путь к созданию более компактных и экономичных ускорителей для будущих коллайдеров и источников синхrotронного излучения, таких как Linac Coherent Light Source (LCLS) в SLAC, что может значительно улучшить мощность, диапазон энергий и временное разрешение рентгеновских лазеров.

Дополнительная информация: Chaojie Zhang et al, Plasma-wakefield accelerator simultaneously boosts electron beam energy and brightness, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65742-8