Pesquisadores apresentam nova ferramenta de diagnóstico para acelerador de plasma a laser usando folha de metal como scanner 3D

Aceleradores de plasma a laser ocupam menos espaço do que instalações convencionais, que às vezes têm quilômetros de comprimento. Essas fontes compactas de partículas podem acelerar feixes de elétrons de forma eficiente, permitindo lasers de raios X que cabem no porão de um instituto universitário.

Mas há alguns desafios a serem enfrentados: para produzir luz UV ou raios X, os feixes de elétrons gerados por um acelerador de plasma a laser devem ser agrupados de forma muito fina e ter propriedades definidas.

Até o momento, tem sido difícil até mesmo medir esses feixes com precisão. Agora, uma equipe do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) desenvolveu um novo método de medição que deve ajudar a impulsionar o desenvolvimento da aceleração de plasma a laser.

Na aceleração laser-plasma, um laser dispara pulsos de luz intensos em um gás. O pulso é tão forte que ioniza o gás e gera um plasma — uma mistura de elétrons e íons. À medida que o pulso laser força os elétrons mais leves para fora do caminho mais rapidamente do que os íons mais pesados, uma “bolha” eletricamente carregada positivamente se forma atrás dele. Se alguns elétrons forem injetados nessa bolha, a força do campo eletromagnético pode virtualmente catapultá-los para a frente.

Esse processo requer apenas alguns centímetros, mas pode acelerar os elétrons agrupados em feixes tanto quanto uma configuração convencional que mede dezenas ou até centenas de metros e usa ondas de rádio para fazer as partículas se moverem.

O laser de elétrons livres (FEL) é uma aplicação interessante para aceleradores de plasma a laser de última geração. Aqui, feixes de elétrons voam através de um chamado ondulador quase na velocidade da luz. Esse conjunto de ímãs força as partículas a seguirem caminhos de slalom, fazendo com que elas emitam raios X ou raios UV fortes, semelhantes a laser, que podem ser utilizados para rastrear processos extremamente rápidos, como reações químicas que ocorrem em quatrilionésimos de segundo.

Compacto e econômico

Existem agora várias dessas máquinas de pesquisa, incluindo o XFEL europeu em Hamburgo. Eles são baseados em aceleradores lineares convencionais, alguns dos quais têm vários quilômetros de comprimento. Mas, até agora, essas instalações são raras e, portanto, o tempo de feixe disponível é limitado. Se os FELs pudessem ser construídos com base em aceleradores de plasma a laser, as instalações poderiam ser construídas de forma tão compacta e econômica que um instituto universitário, por exemplo, seria capaz de pagar por uma. A tecnologia, portanto, se tornaria disponível para muito mais equipes de pesquisa do que atualmente.

Sucessos iniciais já foram alcançados: desde 2021, três grupos de pesquisa conseguiram demonstrar que um FEL baseado em aceleradores de plasma pode ser implementado — uma equipe em Xangai, China, um grupo em Frascati, perto de Roma, e uma equipe trabalhando com o físico Dr. Arie Irman no Instituto de Física da Radiação do HZDR.

Em um artigo de revisão na revista Fotônica da Naturezaos envolvidos resumem o estado atual do desenvolvimento e detalham as questões de pesquisa pendentes.

“Entre outras coisas, temos que melhorar a qualidade e a estabilidade dos feixes de elétrons acelerados e minimizar a distribuição da energia dos elétrons dentro dos feixes”, explica Irman, um dos autores do artigo. “Mas também é importante desenvolver novos métodos de diagnóstico para investigar os processos em um acelerador de plasma a laser com mais precisão.”

Feixes de elétrons atravessam a folha

É aqui que entra o novo projeto HZDR: Dr. Maxwell LaBerge, um pós-doutorado na equipe de Irman, desenvolveu um procedimento de medição que permite aos cientistas analisar em detalhes feixes de elétrons extremamente curtos medindo apenas alguns micrômetros. O artigo foi publicado no periódico Fotônica da Natureza.

LaBerge explica, “Nós disparamos os feixes de elétrons, quase na velocidade da luz, do acelerador de plasma para uma fina folha de metal. Isso coloca os elétrons na superfície da folha em movimento.”

Como resultado, esses elétrons enviam um sinal — como uma antena transmissora — que pode ser detectado por sensores. “Usando esse sinal, podemos reconstruir precisamente a aparência dos feixes de elétrons que atravessaram a folha”, diz LaBerge, descrevendo o processo, cujo termo técnico é Coherent Optical Transition Radiation (COTR).

Os especialistas da HZDR usaram seu novo método de medição para explorar diferentes maneiras de injetar elétrons na bolha de plasma. Irman afirma: “Conseguimos verificar que diferentes métodos de injeção produzem formas bem diferentes de feixes de elétrons, o que mostra que o novo método pode ajudar a controlar a forma e a estrutura dos feixes de elétrons com muito mais precisão.”

E quanto melhor o controle sobre os feixes de elétrons rápidos, mais brilhante e estável será a luz que eles produzem em um FEL.