تأثير شكل الحزمة على تعزيز تسريع الإلكترونات بموجات الصدمة الليزرية يقودها نبضات فئة ميلي جول مدتها 10 فيمتو ثانية

طريقة جديدة لتقليص مسرّعات الجسيمات القوية

عادة ما تمتد مسرّعات الجسيمات التي تفحص المادة أو تولد أشعة سينية طبية لعدة أمتار أو حتى كيلومترات. بديل سريع الحركة، يُسمى التسريع بالصياد الموجي الليزري، يمكنه دفع الإلكترونات إلى طاقات عالية على مسافات أصغر من حبة أرز. تستكشف هذه الدراسة كيف أن إعادة تشكيل شعاع الليزر نفسه يمكن أن يجعل هذه المسرّعات المدمجة أكثر قوة وثباتًا، مما يفتح الباب أمام مصادر على طاولة العمل للأبحاث والتصوير والعلاج.

ركوب الأمواج في بلازما

في التسريع بالصياد الموجي الليزري، يندفع نبض ليزري مكثف عبر غاز مخفف تم تحويله إلى بلازما، دافعًا الإلكترونات جانبًا ومخلّفًا وراءه فقاعة من الشحنة الموجبة. تخلق هذه الفقاعة حقلًا كهربائيًا أقوى بآلاف المرات من تلك الموجودة في الأجهزة التقليدية، قادرًا على دفع الإلكترونات للأمام كما لو أنها تتزلج على موجة محيط. ولكن هناك مشكلة: مع اكتساب الإلكترونات للطاقة، تميل إلى التقدم على هذه الموجة، ويفقد الليزر الذي يقود العملية قوته بسرعة. تقيد هذه التأثيرات مقدار الطاقة التي يمكن أن تصلها الإلكترونات في مرحلة واحدة.

لماذا يهم شكل الحزمة

تستخدم معظم التجارب توزيعًا لليزر يُعرف بالحزمة الغاوسية، التي تُركّز بقوة عند نقطة واحدة ثم تتباعد بسرعة. يتساءل المؤلفون ماذا يحدث إذا أعيد تشكيل الحزمة إلى نمط يُدعى بيسل–غاوسي، الذي يحتوي على نواة مركزية مضيئة تحيط بها حلقات متحدة المركز. بواسطة مرآة خاصة تُدعى أكسيبارابولا، يمكن لهذا الشعاع أن يحافظ على نواته الضيقة على مسافة أطول بكثير، مثل مصباح يدوي يبقي بؤرته مركزة دون تشتت. باستخدام محاكيات حاسوبية متقدمة تلتقط الفيزياء الثلاثية الأبعاد الكاملة، يقارن الفريق هذين الشكلين للشعاع مع الحفاظ على إجمالي طاقة الليزر ومدة النبضة عند قيم واقعية تكنولوجيًا: 40 ميلي جول و10 فيمتو ثانية.

محاكاة مسرّعات مدمجة عالية المعدل

تتعقب المحاكاة كيف يتطور كل نوع من نبضات الليزر أثناء مروره عبر البلازما ومدى فعاليته في تسريع الإلكترونات. تحتوي البلازما في الغالب على الهيدروجين مع كمية صغيرة من النيتروجين؛ تُطلق إلكترونات داخلية من ذرات النيتروجين فقط قرب ذروة حقل الليزر، مما يوفر طريقة مسيطرة على حقن الإلكترونات في الموجة. بالنسبة للحزم الغاوسية، يتسبب التركيز الشديد المطلوب عند هذه الطاقات المتواضعة في أن يخضع الليزر للحيود وإعادة التشكيل بسرعة. تنخفض شدته بشكل حاد بعد بضع مئات من الميكرومترات، يضعف حقل الصدمة، وتبدأ الإلكترونات في الانجراف إلى مناطق تُبطئها بدلًا من تسريعها. نتيجة لذلك، يتسطح طيف طاقة الإلكترونات حول 100–125 ميغا إلكترون فولت، وتؤدي الحقول الليزرية الأولية الأقوى فعليًا إلى تفاقم النتيجة عبر استنزاف النبضة بسرعة كبيرة.

دفع أطول بحزم حلقيّة

تتصرف حزم بيسل–غاوسي بشكل مختلف. حلقاتها الخارجية تغذي النواة المركزية بالطاقة باستمرار، لذا يقل تلاشي الشدة على المحور ببطء أكبر بكثير مقارنةً بالحالة الغاوسية. تتيح هذه المنطقة الممتدة ذات الكثافة العالية للإلكترونات البقاء في الجزء المعجّل من الموجة لمسافة أطول قبل أن تتغلب ظاهرة فقدان الطور أو الاستنزاف. في أكثر التكوينات ملاءمة، تُظهر المحاكاة طاقات إلكترون قصوى تقارب 150–160 ميغا إلكترون فولت—أي أعلى بنحو 20–27 في المئة مقارنةً بأفضل إعدادات الغاوس باستخدام نفس قدرة الليزر. تبقى حزم الإلكترونات ضيقة نسبيًا من حيث الزاوية، ويظل توزيع الطاقة ضمنها أقل من حوالي 30 في المئة عند إبقاء قوة الليزر عند مستويات متوسطة.

الحدود والعوائد العملية

حتى مع تحسن شكل الحزمة، لا يستطيع نبض الليزر تسريع الإلكترونات إلى ما لا نهاية. على مسافات بين 300–500 ميكرومتر، يقلل التطور غير الخطي للنبضة شدتها بأكثر من عاملين، مما يحد من الطاقة الممكن الوصول إليها. ومع ذلك تُظهر الدراسة أن الحزم المشكّلة بعناية يمكنها استخراج أداء أكبر بكثير من نظم ليزر صغيرة تعمل بمعدلات تكرار عالية وتعمل بأقل من 0.1 جول لكل نبضة. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أنه عبر نحت الضوء—تحويل بقعة بسيطة إلى بنية حلقية—يمكن للباحثين صنع مسرّعات مصغرة أكثر كفاءة وموثوقية، مما قد ينقل مصادر إشعاع قوية وأدوات تصوير متقدمة من منشآت كبيرة إلى مختبرات وعيادات عادية.

الاستشهاد: Abedi-Varaki, M., Tomkus, V., Girdauskas, V. et al. Beam shape effect on enhanced laser wakefield acceleration of electrons driven by 10-fs mJ-class pulses. Sci Rep 16, 11188 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41516-0

الكلمات المفتاحية: تسريع بالصياد الموجي الليزري, مسرّع بلازما, شعاع بيسل, مصدر إلكترونات مدمج, ليزرات بمعدل تكرار عالي