השפעת צורת הקרן על האצה מתקדמת של אלקטרונים בגל הלייזר מונע על ידי פולסים של כיתה mJ באורך 10 פמטו‑שניות

דרך חדשה להקטין מאיצי חלקיקים עוצמתיים

מאיצי חלקיקים שמשתמשים בהם לחקירת החומר או ליצירת קרני רנטגן רפואיות בדרך כלל משתרעים למטרים רבים ולעתים אפילו לקילומטרים. אלטרנטיבה מהירה בשם האצת גלי לייזר יכולה להאיץ אלקטרונים לאנרגיות גבוהות על מרחקים הקטנים מגודל גרגיר אורז. המחקר הזה בוחן כיצד שינוי צורת קרן הלייזר עצמה יכול להפוך את המאיצים הקומפקטיים הללו לעוצמתיים ויציבים יותר, ולפתוח את הדלת למקורות שולחניים למחקר, דימות וטיפול.

לרכב על הגלים בפלזמה

בהאצת גלי לייזר, פולס לייזר אינטנסיבי חופר דרך גז דל שהוסב לפלזמה, דוחף את האלקטרונים הצידה ומשאיר בועת מטען חיובי מאחוריו. הבועה הזו יוצרת שדה חשמלי שמספרו אלפי פעמים חזק יותר משל מכונות קונבנציונליות, ומסוגל לזרז אלקטרונים קדימה כמו גולשים על גל ים. אבל יש בעיה: כאשר האלקטרונים מקבלים אנרגיה הם נוטים לעקוף את הגל, ולייזר שמניע את התהליך מאבד כוח במהירות. השפעות אלה מגבילות את כמות האנרגיה שהאלקטרונים יכולים להשיג בשלב אחד.

למה צורת הקרן חשובה

ברוב הניסויים משתמשים בפרופיל לייזר סטנדרטי המכונה קרן גאוסית, שממוקדת חזק בנקודה אחת ואז מתפשטת במהירות. המחברים שואלים מה קורה אם מעצבים את הקרן לתבנית הנקראת Bessel–Gauss, שיש לה ליבה מרכזית בהירה מוקפת טבעות קונצנטריות. עם מראה מיוחדת הנקראת אקסיפאראבולה, קרן זו יכולה לשמור על ליבה צרה לאורך מרחק ארוך יותר, כמו פנס שהנושא שלו מסרב להתפזר. באמצעות סימולציות מיחשוב מתקדמות שמדמות את הפיזיקה התלת‑ממדית המלאה, הצוות משווה בין שתי צורות הקרן הללו תוך שמירה על אנרגיית הלייזר כוללת ואורך הפולס בערכים ריאליסטיים טכנולוגית: 40 מיליג'אול ו‑10 פמטו‑שניות.

הדמיה של מאיצים קומפקטיים בקצב גבוה

הסימולציות עוקבות אחר התפתחות כל סוג של פולס לייזר בזמן שהוא עובר דרך הפלזמה וכיצד הוא מאיץ את האלקטרונים ביעילות. הפלזמה מכילה בעיקר מימן עם כמות קטנה של חנקן; אלקטרונים פנימיים מאטומי החנקן משתחררים רק בקרבת שיא שדה הלייזר, מה שמספק דרך מבוקרת להזריק אלקטרונים לתוך הגל. עבור קרניים גאוסיות, המוקד הצפוף הנדרש באנרגיות צנועות אלה גורם ללייזר להתפזר ולהשתנות במהירות. העוצמה שלו יורדת חדה לאחר כמה מאות מיקרומטר, שדה הגל נחלש, והאלקטרונים מתחילים לנדוד לאזורים שבהם הם מאיטים במקום מואצים. כתוצאה מכך, אנרגיית האלקטרונים מתייצבת סביב 100–125 מגה־אלקטרון־וולט, ושדות לייזר התחלתיים חזקים יותר למעשה מחמירים את התוצאה על‑ידי ריקון הפולס מהר מדי.

דחיפה ארוכה יותר עם קרניים טבעתיות

קרני Bessel–Gauss מתנהגות אחרת. הטבעות החיצוניות שלהן מזינות בעקביות אנרגיה אל הליבה המרכזית, כך שעוצמה על הציר דועכת הרבה יותר לאט מאשר במקרה הגאוסי. אזור האינטנסיביות המורחב הזה מאפשר לאלקטרונים להישאר בחלק המאיץ של הגל למרחק ארוך יותר לפני שדיפאזינג או ריקון משתלטים. בתצורות המועדפות ביותר, הסימולציות מראות אנרגיות מקסימליות של אלקטרונים בערך 150–160 מגה־אלקטרון־וולט — גבוהות בכ־20–27 אחוזים ביחס להגדרות הגאוסיות הטובות ביותר המשתמשות באותה עוצמת לייזר. צרורות האלקטרונים נשארות יחסית צרות בזווית, ופיזור האנרגיה שלהן נשמר מתחת לכ־30 אחוז כאשר חוזק הלייזר נשמר ברמות מתונות.

מגבלות ותמורות מעשיות

אפילו עם שיפור צורת הקרן, פולס הלייזר אינו יכול להאיץ אלקטרונים ללא גבול. על מרחקים של 300–500 מיקרומטר, האבולוציה הלא־ליניארית של הפולס עדיין מפחיתה את העוצמה ביותר מפקטור של שניים, ובכך מגבילה את האנרגיה האפשרית. עם זאת, העבודה מדגימה כי קרניים מעוצבות בקפידה יכולות לסחוט הרבה יותר ביצועים ממערכות לייזר קטנות בקצב חזרה גבוה הפועלות מתחת ל‑0.1 ג'ול לפולס. לקורא שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא שעל‑ידי פיסול האור — הפיכת נקודה פשוטה למבנה טבעתי — חוקרים יכולים להפיק מאיצים מיניאטוריים יעילים ואמינים יותר, ולהביא מקורות קרינה חזקים וכלי דימות מתקדמים ממתקנים גדולים למעבדות ולמרפאות שגרתיות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: האצת גלי לייזר, מאיץ פלזמה, קרן בצלת, מקור אלקטרונים קומפקטי, לייזרים בקצב חזרה גבוה