ليزر صناعي يسرّع الإلكترونات سريع
لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.
يطلق الليزر نبضات بيكو ثانية (أجزاء من تريليون من الثانية)، ثم تُضغط هذه النبضات 20 مرة لتصل إلى 50 فيمتو ثانية. الأمر يشبه جمع صوت رعد طويل في ومضة برق واحدة. النبضة المضغوطة تصطدم بنفث غاز وتُحدث فقاعة بلازما — تجويفًا صغيرًا تلتقط فيه موجة الإلكترونات، مثل راكبي الأمواج على قمة الموجة، فتنطلق الإلكترونات إلى الأمام بطاقة تبلغ عدة ميغا إلكترون فولت. يعمل الليزر في وضع الرشقات: يمكن ضبط عدد الطلقات بين 625 و6250 طلقة في الثانية — أي عشرات المرات أكثر من التجارب السابقة.
أظهرت المحاكاة العددية أن التسارع يتم في وضع التنظيم الذاتي: شعاع الليزر يركّز نفسه في البلازما، مما يهيئ ظروفًا للتسارع المستقر. هذا يشبه قاربًا سريعًا يخلق خلفه موجة تدفع السباح — لكن هنا الموجة من الإلكترونات والقارب هو نبضة ضوئية. يجمع هذا النهج بين موثوقية المعدات المصنعية وكفاءة التسارع البلازمي، ويعد بمصادر مدمجة للإلكترونات السريعة للعلاج الإشعاعي والتصوير فائق السرعة وفحص جودة المواد.
الملخص الأصلي
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2606.07147
Laser plasma accelerators (LPAs) are a promising platform for compact radiation sources. For a wide range of applications, including radiotherapy, ultrafast electron diffraction and time-resolved imaging, stable operation at high repetition rates is essential in order to deliver competitive average particle flux. Here we demonstrate the first LPA driven by an industrial-grade ytterbium-doped yttrium aluminium garnet (Yb:YAG) laser, designed for high-average-power operation. The picosecond laser pulses are post-compressed in a multi-pass cell to 50 fs duration and used to drive the interaction. The electron accelerator is operated in burst mode, at repetition rates tuneable from 0.625 to 6.25 kHz, representing a substantial increase compared to the state-of-the-art. Across this range, the electron beam properties remain unchanged, with average charges of 10-12 pC per shot, divergences of 50-70 mrad, and Maxwellian-like spectra extending to a few MeV. Numerical simulations capture the key features of the experimental observations and indicate acceleration in the self-modulated regime, enabled by relativistic self-focusing in near-critical-density plasma. Combining industrial high-average-power laser technology with plasma-based acceleration, these results represent a key step toward scalable, compact high-repetition-rate electron sources for medical, imaging and industrial applications.
ليزر الإتيربيوم على بلورة Yb:YAG هو قريب مباشر لتلك الليزرات التي تقطع الفولاذ في المصانع؛ عنصره النشط لا يتجاوز حجمه حجم قطعة بسكويت، ويحل محل قاعة كاملة من الأجهزة العلمية.