Un poco de casualidad al realizar una calibración de rutina llevó a un investigador del Centro BELLA del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab a descubrir un nuevo método para medir la presión de las boquillas supersónicas. Este es un avance significativo, con una amplia gamaaplicaciones que incluyen satélites en miniatura, dispositivos de laboratorio en un chip y aceleradores de plasma láser.
Monitorear los cambios rápidos de presión de chorro dentro de las boquillas microscópicas es extremadamente desafiante. Pero, en el Journal of Applied Physics, de AIP Publishing, un grupo de investigadores informa haber creado un dispositivo que simplifica enormemente el proceso.
Este dispositivo "es un acelerador de electrones altamente miniaturizado hecho de dos pequeñas losas de zafiro transparente que se maquinan con láser con la mitad de un patrón personalizado, y luego se intercalan", dijo Nicholas Matlis, autor principal del artículo, que ahora es uncientífico sénior en el Sincrotrón Deutsche Elektronen en Hamburgo, Alemania.
Cuenta con un canal capilar largo y delgado, solo un poco más ancho que un cabello humano. Esto se cruza con una boquilla convergente / divergente, que actúa como un mini propulsor de cohetes al producir un chorro de gas supersónico de tamaño milimétrico.
Este dispositivo combinado de chorro de gas y descarga capilar, desarrollado en el Centro BELLA, bajo el liderazgo de Wim Leemans, director de la Tecnología de Acelerador y la División de Física Aplicada y director del Centro BELLA en Berkeley Lab, se utilizó por primera vez en 2011 paraproducir una inyección controlada de racimos de electrones desde un acelerador de plasma láser, un resultado publicado en Nature Physics por Tony Gonsalves y compañeros de trabajo en Berkeley Lab.
Se crea un acelerador avanzado dentro del dispositivo que "acelera electrones con una fuerza miles de veces mayor que el acelerador lineal más grande del mundo", explicó Matlis. "Lo llenamos con gas hidrógeno, ionizamos el hidrógeno con una descarga de alto voltaje,y enfocarlo con un pulso láser cien billones de veces más brillante que la superficie del sol ".
Como puede imaginar, la parte difícil es el control. "A estas intensidades, los láseres interactúan de forma no lineal", dijo. "Los pequeños cambios de entrada provocan grandes cambios de salida, lo que dificulta la replicación del rendimiento cada vez".
Sin embargo, el canal del dispositivo proporciona una región larga con una presión y densidad de gas casi perfectamente uniformes para crear la estructura de aceleración. "Cuando se produce la descarga de alto voltaje, convierte el gas en plasma", señaló Matlis ".Y el pulso láser produce ondas en el plasma, como una lancha a motor en un lago. Estas ondas de plasma generan enormes campos eléctricos y aceleran los electrones que se extraen del plasma, que luego surcan las olas como mini surfistas ".
El plasma también actúa como una guía para mantener el láser enfocado, lo que aumenta la longitud del acelerador y le permite alcanzar energías más altas. "Este efecto guía protege el canal del láser, que de lo contrario lo destruiría", dijo.
Las cosas se vuelven aún más intrigantes al agregar la boquilla. "Sin ella, los electrones solo se pueden extraer y acelerar operando en un modo de alta densidad de gas que produce ondas más grandes y más erráticas", señaló Matlis. "El chorro de gas se expande".a través de la boquilla e introduce una pequeña región de alta densidad que desencadena el proceso de captura de electrones dentro del acelerador, lo que permite ejecutar el canal en un modo de menor densidad con ondas más estables ".
El chorro estabiliza el rendimiento del acelerador y actúa como un "botón de ajuste" para controlarlo. Pero un inconveniente fue que "debido a que la boquilla está muy presurizada, debe encenderse solo en breves pulsos, para evitar inundar la cámara de vacío".albergar el acelerador ", agregó Matlis.
La pulsación hace que el gas que llena la boquilla gire alrededor del dispositivo, lo que proporcionó una tenacidad inesperada al sistema. El "chapoteo" es invisible a simple vista y ocurre dentro de milisegundos, por lo que el grupo creó un diagnóstico personalizado para explorarlo más a fondo.
El plasma, una vez más, proporcionó una solución. "Los átomos ionizados dentro de un plasma emiten luz a frecuencias bien definidas características de cada tipo de átomo, una huella digital de emisión", dijo Matlis.
El diagnóstico, inventado por el compañero de trabajo Anthony Gonsalves, es "esencialmente una cámara que mira el bloque de zafiro desde un lado y utiliza la luz de emisión como un flash", explicó. "El giro estaba insertando una rejilla de difracción, que separa colores comoun prisma, entre la cámara y el dispositivo "
Disparar instantáneas simultáneas del hidrógeno boquilla y helio canal, en el momento del destello, mostró la presencia de cada gas ". Al ajustar el tiempo de descarga en comparación con el pulso de la boquilla, reunimos las instantáneas enuna película en cámara lenta que reveló cómo fluían los gases a través del sistema ", dijo Matlis.
Trabajando tarde una noche, operando la boquilla por encima de la presión crítica donde se sabía que el helio se filtraba en el canal, Matlis se sorprendió al ver que el helio aparecía solo en la mitad del canal. Luego se dio cuenta de que habían atrapado helio en el actode cruzar el canal y empujar el hidrógeno fuera de su camino.
Esto condujo a otro gran descubrimiento: la "batalla de las presiones" entre helio e hidrógeno se puede utilizar para medir con precisión la presión del chorro que es tan crítica para el funcionamiento del acelerador.
El trabajo del grupo es especialmente importante para los aceleradores avanzados, porque tiene "el potencial de proporcionar a toda una generación de científicos los beneficios de los aceleradores de alta energía al hacerlos más baratos y fáciles de construir, acelerando drásticamente la velocidad a la que es crucialla ciencia se puede hacer ", dijo Matlis.
"Nuestro programa en Berkeley Lab investiga la ciencia y la tecnología de dichos aceleradores miniaturizados", agregó Leeman. "Aprender a controlarlos, ajustarlos y hacerlos más confiables requiere el desarrollo de diagnósticos novedosos para proporcionar los ojos y oídos del dispositivo. No tuvimos una manera fácil de optimizar el chorro y la descarga capilar hasta la técnica desarrollada por Matlis. No tengo dudas de que con métodos de optimización como este, el sueño de los aceleradores compactos se hará realidad ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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