Acelerador de partículas cargadas y fuente de radiación.

Un método de producción de radiación electromagnética, que comprende:

formar un canal de plasma en un capilar (2);

disparar un pulso de láser (6) a través del canal de plasma;

disponer un grupo de partículas cargadas para que se inyecten en una estela de densidad de plasma (8) delpulso de láser (6) de modo que sean aceleradas por la estela (8); y

disponer el canal de plasma y el disparo del pulso de láser de modo que la estela (8) del pulso de láser (6)ejerza una fuerza transversal sobre el grupo inyectado de partículas cargadas que varíe periódicamente amedida que el pulso de láser (6) se propaga a lo largo de la longitud del canal, causando la aceleracióntransversal resultante del grupo de partículas cargadas la emisión de dicha radiación electromagnética.

Acelerador de partículas cargadas y fuente de radiación La presente invención se refiere a un método y a un aparato para la producción de radiación electromagnética usando partículas cargadas aceleradas.

Se conoce desde hace unos 25 años que los grandes campos eléctricos formados en la onda de densidad de carga que sigue a un pulso de láser intenso que se propaga a través de un plasma (gas ionizado) se podría usar para acelerar partículas cargadas en una distancia que es mil veces inferior a la que se requiere con un acelerador convencional para energías de salida comparables. Los aceleradores de plasma que funcionan con láser, también conocidos como aceleradores de campo de estela, podrían formar por lo tanto la base de una nueva clase de acelerador muy compacto con unas dimensiones de sólo unos pocos centímetros (excluyendo el accionador de láser) , y capaces de generar rayos de partículas con energías iguales a las que suministran las máquinas convencionales de varias decenas o centenas de metros de longitud. Una ventaja adicional es que el rayo de salida, habitualmente electrones pero siendo también posibles otras partículas cargadas, de un acelerador de plasma está compuesto de pulsos de una duración mucho más corta (femtosegundos) que la que es posible con un acelerador convencional (que típicamente suministra paquetes de varios picosegundos de longitud) . Los aceleradores de plasma que funcionan con láser podrían por lo tanto reemplazar a los aceleradores convencionales usados para alimentar fuentes de radiación, tales como sincrotrones, y para formar una fuente compacta de pulsos cortos de partículas cargadas y radiación ajustable.

Sin embargo, existen dificultades prácticas asociadas con la inyección de los paquetes de partículas cargadas que se van a acelerar en el acelerador de plasma, que pueden limitar la calidad de la salida del acelerador. Por ejemplo,

cuando los paquetes de partículas cargadas se generan por separado y se transportan al acelerador de plasma, es muy difícil evitar que los paquetes se hagan menos definidos espacialmente (es decir, se dispersen) durante la fase de transporte. Esta y otras limitaciones en la precisión con la que se puede llevar a cabo el proceso de inyección pueden causar fluctuaciones en la energía de salida del acelerador (fluctuaciones y/o dispersión no deseada de energía en los paquetes de partículas cargadas de salida) .

Los onduladores se pueden usar para obtener radiación electromagnética de los rayos de partículas cargadas aceleradas y de ese modo formar una fuente de radiación. Tales onduladores se basan en conjuntos de imanes permanentes dispuestos de modo que sus campos magnéticos desvían periódicamente un rayo de partículas cargadas que pasa a través de ellos. El movimiento transversal impartido de esta manera al rayo de partículas cargadas produce el denominado ondulador o radiación sincrotrón de wiggler, que forma la base de las fuentes de sincrotrón modernas. Los onduladores también se usan en fuentes láser sin electrones de rayos X para producir una radiación intensa coherente de rayos X. Los onduladores de láser sin electrones de rayos X tienen habitualmente entre 20 y 150 m de longitud y tienen muchos miles de períodos.

Generalmente se requieren fuertes campos magnéticos para desviar el rayo de partículas cargadas, lo que presenta la dificultad de la miniaturización de los imanes permanentes y la producción de un ondulador compacto.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar un ondulador compacto mejorado para una fuente de radiación.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un método para la producción de radiación electromagnética, que comprende: formar un canal de plasma en un capilar; disparar un pulso de láser a través del canal de plasma; disponer un grupo de partículas cargadas para que se inyecten en una estela de densidad de plasma del pulso de láser de modo que sean aceleradas por la estela; y disponer el canal de plasma y el disparo del pulso de láser de modo que la estela del pulso de láser ejerza una fuerza transversal sobre el grupo inyectado de partículas cargadas que varíe periódicamente mientras que el pulso de láser se propaga a lo largo de la longitud del canal, causando la aceleración transversal resultante del grupo de partículas cargadas la emisión de dicha radiación electromagnética.

De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona una fuente de radiación 55 electromagnética, que comprende: un capilar adecuado para crear un canal de plasma; una fuente de láser dispuesta para disparar un pulso de láser a través del canal de plasma; y medios para inyectar un grupo de partículas cargadas en una estela de densidad del plasma del pulso de láser de modo que el grupo sea acelerado por la estela, en la que la fuente de láser y el canal se dispongan de modo que la estela en uso del pulso de láser ejerza una fuerza transversal sobre el grupo inyectado de partículas cargadas que varíe periódicamente a medida que el pulso de láser se propaga a lo largo de la longitud del canal, causando la aceleración transversal resultante del paquete de partículas cargadas la emisión de dicha radiación electromagnética.

De acuerdo con lo anterior, la estela que sigue a un pulso de láser en el canal, que se puede definir como la alteración en la densidad de carga del plasma causada por el paso del pulso de láser, se puede usar como un 65 ondulador para producir radiación electromagnética, y en particular para producir un pulso corto de radiación de alta frecuencia. El período espacial entre dos ondulaciones (que puede variar a lo largo del capilar de acuerdo con la frecuencia o el intervalo de frecuencias de salida deseado al tomar en consideración la aceleración o deceleración de las partículas cargadas) en las realizaciones de tal sistema puede ser considerablemente más corto que 1 mm para producir radiación de rayos X, a diferencia de las dimensiones de 1 cm o superiores para un ondulador comparable de tipo imán permanente. Esto significa que, por ejemplo, un ondulador de 1000 períodos con una periodicidad de 100 micrómetros puede tener una longitud de tan sólo 10 cm, lo que reduce el coste y el tamaño del ondulador considerablemente. Los onduladores convencionales pueden costar varios cientos de miles de libras por metro y necesitan ser alojados en grandes edificios construidos especialmente con espesas capas de hormigón protectoras de la radiación. Un ondulador de plasma tal como el que se ha discutido se podría añadir a un acelerador que funciona con láser (acelerador de plasma) virtualmente sin coste extra.

La frecuencia de la radiación de salida depende de la velocidad de las partículas cargadas. Cuanto más cerca estén de la velocidad de la luz mayor es la frecuencia. En el marco de referencia de la partícula cargada, el período del ondulador presenta desplazamiento Doppler y parece tener un período más corto (con un factor igual al factor de contracción relativista de Lorenz γ) . Las partículas cargadas radiarán luz con este período (es decir la frecuencia del 15 desplazamiento Doppler) . Sin embargo, para un observador en el marco de referencia del laboratorio la frecuencia presenta de nuevo un desplazamiento Doppler a una frecuencia mayor. Se puede decir que de esta manera la radiación presenta un doble desplazamiento Doppler -una vez en el marco de referencia de la partícula cargada y a continuación de nuevo de vuelta en el marco de referencia del laboratorio. En la práctica, por lo tanto, la frecuencia (y por lo tanto la longitud de onda) de la radiación de salida depende predominantemente del período espacial del ondulador (λu) y de la energía (E) de las partículas cargadas, que se puede parametrizar con el factor de Lorenz γ en E = γmec2, siendo me la masa en reposo de la partícula cargada. En estos términos, la longitud de onda de salida viene dada aproximadamente por λ = λu/2γ2. Sin embargo, existen términos de corrección que dependen de la fortaleza de la fuerza de desviación transversal. El término "ondulador" se entiende en el campo que incluye medios para inducir oscilación en una dimensión (por ejemplo una oscilación transversal en combinación con un movimiento traslacional) y también movimiento periódico en tres dimensiones, tal como el movimiento helicoidal en un campo magnético. Para fuerzas de desviación muy fuertes, la radiación emitida se denomina a veces radiación wiggler y se producen multitud de armónicos altos de la frecuencia fundamental que extienden el intervalo espectral de la radiación de sincrotrón.

Un aspecto útil adicional de la realización anterior es... [Seguir leyendo]

1. Un método de producción de radiación electromagnética, que comprende:

formar un canal de plasma en un capilar (2) ; disparar un pulso de láser (6) a través del canal de plasma; disponer un grupo de partículas cargadas para que se inyecten en una estela de densidad de plasma (8) del pulso de láser (6) de modo que sean aceleradas por la estela (8) ; y disponer el canal de plasma y el disparo del pulso de láser de modo que la estela (8) del pulso de láser (6) ejerza una fuerza transversal sobre el grupo inyectado de partículas cargadas que varíe periódicamente a medida que el pulso de láser (6) se propaga a lo largo de la longitud del canal, causando la aceleración transversal resultante del grupo de partículas cargadas la emisión de dicha radiación electromagnética.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el pulso de láser (6) se dispara en el canal de plasma fuera de eje para que cause de manera eficaz una desviación transversal periódica del pulso de láser (6) y de su estela (8) a medida que el pulso de láser (6) se propaga a lo largo de la longitud del canal.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el pulso de láser (6) se dispara en el canal de plasma en una posición separada radialmente del eje central longitudinal del canal, en un ángulo oblicuo al eje central longitudinal del canal, o una combinación de los mismos.

4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el canal de plasma tiene una forma, inducida por la forma del capilar (2) , que causa una desviación transversal periódica del pulso de láser (6) y de su estela (8) a medida que el pulso de láser (6) se propaga a lo largo de la longitud del canal.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la forma del capilar (2) comprende al menos una de las siguientes: ondulaciones de sección transversal longitudinal básicamente sinusoidal, desviaciones localizadas en la sección transversal separadas longitudinalmente, desviaciones helicoidales en la sección transversal, y ondulaciones de sección transversal longitudinal de onda cuadrada.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que varía longitudinalmente una periodicidad espacial en la forma del capilar (2) de modo que consigue:

una frecuencia de desviación transversal básicamente constante; o 35 una frecuencia de desviación transversal que varía básicamente a medida que el pulso de láser (6) se propaga por el canal de plasma.

7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de disponer un grupo de partículas cargadas para que se inyecten en una estela (8) del pulso de láser (6) comprende:

producir un grupo de partículas cargadas externamente al canal e inyectarlas en el canal; o provocar la extracción de un grupo de partículas cargadas a partir del plasma mediante la estela (8) del pulso de láser (6) .

8. Una fuente de radiación electromagnética, que comprende:

un capilar (2) adecuado para la creación de un canal de plasma; una fuente de láser (32) dispuesta para disparar un pulso de láser (6) a través del canal de plasma; y medios para la inyección de un grupo de partículas cargadas en una estela de densidad de plasma (8) del pulso de láser (6) de modo que el grupo sea acelerado por la estela (8) , en la que la fuente de láser (32) y el canal se disponen de modo que en uso la estela (8) del pulso de láser (6) ejerza una fuerza transversal sobre el grupo inyectado de partículas cargadas que varíe periódicamente a medida que el pulso de láser (6) se propaga a lo largo de la longitud del canal, causando la aceleración transversal resultante del grupo de partículas cargadas la emisión de dicha radiación electromagnética.

9. Una fuente de radiación electromagnética de acuerdo con la reivindicación 8, configurada para llevar a cabo un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

10. Una fuente de radiación electromagnética de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, en la que:

dichos medios para la inyección de un grupo de partículas cargadas comprenden una desviación localizada longitudinalmente en la sección transversal del capilar (2) que, en uso, causa una desviación correspondiente en la densidad del plasma, siendo dicha desviación en la densidad del plasma tal que cause la inyección de un grupo de partículas cargadas desde el plasma a la estela (8) del pulso de láser (6) en la región de la desviación 65 en el capilar (2) de modo que el grupo sea acelerado por la estela (8) .

11. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además:

un controlador de flujo de gas (50) dispuesto para establecer un flujo de gas a lo largo de dicho capilar (2) ; y un circuito de descarga para pasar una descarga eléctrica a través del flujo de gas para formar un canal de 5 plasma dentro del capilar (2) , en el que dicha desviación localizada comprende un cambio de etapa en el diámetro del capilar.

12. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 11, en el que:

una posición de dicha desviación en el capilar (2) determina una energía final para el grupo acelerado de partículas cargadas; dicho capilar (2) comprende al menos una desviación localizada longitudinalmente adicional en su sección transversal que, en uso, causa al menos una desviación adicional correspondiente en la densidad del plasma, siendo cada una de dichas desviaciones adicionales en la densidad del plasma tales que causen la inyección de un grupo adicional de partículas cargadas desde el plasma a la estela (8) del pulso de láser (6) en la región de la desviación adicional en el capilar (2) de modo que cada grupo adicional sea acelerado por la estela (8) ; grupos de partículas cargadas inyectados en diferentes desviaciones en el capilar (2) sean acelerados a diferentes energías finales, determinando las posiciones de las respectivas desviaciones longitudinales dichas energías finales; y/o dicho capilar (2) se dispone de modo que en uso la densidad del plasma para un tiempo determinado aumenta gradualmente o disminuye gradualmente en función de la posición a lo largo de una porción longitudinal extendida del capilar (2) .

13. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que dicha desviación o 25 desviaciones comprenden:

un cambio localizado en el área de sección transversal del capilar (2) ; un aumento localizado en el área de sección transversal; una sección adicional de capilar que se ensancha en el interior, y se extiende lateralmente hacia afuera de, el

capilar por el que se propaga la el pulso de láser (6) ; y/o al menos uno de los siguientes: una desviación de sección transversal helicoidal, y una desviación de sección transversal cónica.