Effect van bundelvorming op verbeterde laser‑wakefieldversnelling van elektronen aangedreven door 10‑fs mJ‑klasse pulsen

Een nieuwe manier om krachtige deeltjesversnellers te verkleinen

Deeltjesversnellers die materie onderzoeken en medische röntgenstralen produceren, beslaan meestal vele meters tot kilometers. Een veel compactere alternatief, laser‑wakefieldversnelling, kan elektronen tot hoge energieën brengen over afstanden kleiner dan een rijstkorrel. Deze studie onderzoekt hoe het hervormen van de laserbundel zelf deze compacte versnellers krachtiger en stabieler kan maken, wat de weg vrijmaakt voor tafelbladbronnen voor onderzoek, beeldvorming en therapie.

Meeliften op golven in een plasma

Bij laser‑wakefieldversnelling ploegt een intens laserpuls door een dun gas dat in een plasma is omgezet, duwt elektronen opzij en laat een bubbel van positieve lading achter. Deze bubbel creëert een elektrisch veld dat duizenden malen sterker is dan in conventionele machines en in staat is elektronen vooruit te slingeren als surfers op een oceaangolf. Er is echter een keerzijde: naarmate de elektronen energie winnen, lopen ze de golf vaak voorbij, en de laser die het proces aandrijft verliest snel aan kracht. Deze effecten beperken hoeveel energie de elektronen uiteindelijk in één stadium kunnen bereiken.

Waarom bundelvorm ertoe doet

De meeste experimenten gebruiken een standaard laserprofiel dat bekendstaat als een Gaussiaanse bundel, die op één punt sterk wordt gefocusseerd en daarna snel uitloopt. De auteurs vragen wat er gebeurt als de bundel wordt hervormd tot een zogenaamd Bessel–Gauss‑patroon, met een heldere centrale kern omgeven door concentrische ringen. Met een speciaal spiegelontwerp, een axiparabool, kan deze bundel haar smalle kern over een veel langere afstand behouden, als een zaklamp waarvan de spot weigert te vervagen. Met geavanceerde computersimulaties die de volledige driedimensionale fysica vangen, vergelijkt het team deze twee bundelvormen terwijl de totale laserenergie en pulsduratie op technologisch realistische waarden worden gehouden: 40 millijoule en 10 femtoseconde.

Simulatie van compacte, hoge‑snelheidsversnellers

De simulaties volgen hoe elk type laserpuls zich ontwikkelt terwijl het door het plasma reist en hoe effectief het elektronen accelereert. Het plasma bestaat voornamelijk uit waterstof met een kleine hoeveelheid stikstof; binnenste elektronen van de stikstofatomen komen alleen vrij rond de piek van het laserveld, wat een gecontroleerde wijze van injectie in de wake biedt. Bij Gaussiaanse bundels veroorzaakt de strakke focus die bij deze bescheiden energieën nodig is dat de laser snel diffracteert en van vorm verandert. De intensiteit neemt scherp af na enkele honderden micrometers, het wakeveld verzwakt en elektronen beginnen in regio’s terecht te komen waar ze worden afgeremd in plaats van versneld. Als gevolg vlakt de elektronenenergie af rond 100–125 mega‑elektronvolt, en sterkere initiële laservelden maken het resultaat zelfs slechter doordat ze de puls te snel uitputten.

Een langere duw met geringde bundels

Bessel–Gauss‑bundels gedragen zich anders. Hun buitenste ringen voeden continu energie naar de centrale kern, zodat de intensiteit op de as veel langzamer afneemt dan in het Gaussiaanse geval. Deze verlengde regio met hoge intensiteit laat elektronen langer in het versnellende deel van de wake blijven voordat dephasering of uitputting de overhand krijgt. In de gunstigste configuraties tonen de simulaties maximale elektronenenergieën van ongeveer 150–160 mega‑elektronvolt—ruim 20–27 procent hoger dan de beste Gaussiaanse opstellingen met hetzelfde laservermogen. De elektronenbundels blijven relatief smal in hoek en hun energiespreiding blijft beneden ongeveer 30 procent wanneer de lasersterkte op gematigde niveaus wordt gehouden.

Beperkingen en praktische opbrengsten

Zelfs met de verbeterde bundelvorm kan de laserpuls elektronen niet oneindig versnellen. Over afstanden van 300–500 micrometer reduceert niet‑lineaire evolutie van de puls de intensiteit nog steeds met meer dan een factor twee, waardoor de bereikbare energie wordt begrensd. Toch laat het werk zien dat zorgvuldig gestructureerde bundels aanzienlijk meer prestatie uit kleine, hoog‑herhalende lasersystemen kunnen persen die onder 0,1 joule per puls opereren. Voor een niet‑specialistische lezer is de kernboodschap dat door het licht te vormen—een eenvoudige spot om te zetten in een geringde structuur—onderzoekers miniatuurversnellers kunnen maken die efficiënter en betrouwbaarder zijn, en zo krachtige stralingsbronnen en geavanceerde beeldvormingstools van grote faciliteiten naar gewone laboratoria en klinieken kunnen brengen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: laser‑wakefieldversnelling, plasmaversneller, Bessel‑bundel, compacte elektronenbron, hoog herhalingsfrequentie lasers