Dielektrisk laseraccelerator skaber fokuseret elektronstråle – Physics World

Dielektrisk laseraccelerator skaber fokuseret elektronstråle – Physics World

Tidsstempel: 10. april 2024 kl. 11


Dielektrisk laseraccelerator
Sådan kunne det fungere: elektroner sprøjtes ind i den dielektriske laseraccelerator (i midten) fra en kilde øverst til venstre. Hulrummene er inden for de turkise og guldbarrer, som er oplyst med laserlys (vist i laksefarve). I dette eksempel bruges de accelererede elektroner til at skabe synkrotronlys ved hjælp af en undulator (nederst til højre). (Med høflighed: Payton Broaddus)

En ny laserdrevet enhed, der både kan begrænse og accelerere elektroner over afstande på omkring en millimeter, er blevet udviklet af forskere i USA. Ved at kombinere fremskridt inden for nanovidenskab, lasere og vakuumteknologi, Payton Broaddus og kolleger ved Stanford University siger, at de har udviklet den hidtil højest ydende dielektriske laseraccelerator (DLA).

Ud over at drive ladede partikler som elektroner til høje kinetiske energier, skal en nyttig accelerator også være i stand til at begrænse partiklerne i en smal stråle. Endvidere skal strålen også være så tæt på monoenergetisk som muligt.

I moderne faciliteter gøres dette normalt ved hjælp af radiofrekvens (RF) hulrum, der er belagt med kobber eller for nylig med en superleder såsom niobium. Når de drives af kraftige RF-signaler, udvikler disse resonanshulrum meget høje spændinger, der accelererer partikler med meget specifikke energier. Der er dog fysiske grænser for de maksimale partikelenergier, der kan opnås på denne måde.

"Hvis man gør de elektromagnetiske felter for store, kan det resultere i skader på [hulrummets] vægge, hvilket ødelægger maskinen," forklarer Broaddus. "Dette er i øjeblikket en væsentlig begrænsning i alle konventionelle acceleratorer og begrænser den sikre accelerationsgradient til titusvis af megaelektronvolt pr. meter." Dette er faktisk hovedårsagen til, at acceleratorer bliver ved med at blive større og dyrere for at opnå højere partikelenergier.

Alternative accelerator designs

For at skabe mere kompakte enheder udforsker forskere verden over en række alternative acceleratorteknologier med det mål at opnå den højest mulige accelerationsgradient over den korteste afstand.

En lovende teknologi er DLA, som først blev udtænkt i 1950'erne. I stedet for at rette et RF-signal mod et ledende hulrum involverer en DLA affyring af en laser hen over en lillebitte kanal i et dielektrisk materiale. Dette skaber et vekslende elektrisk felt i kanalen, som fungerer som et resonanshulrum. Ved at optimere nanostrukturen i hulrummet og ved den omhyggelige timing af, hvornår elektroner sendes gennem kanalen, accelereres partiklerne.

Mens fysikken i denne opsætning stort set ligner mere konventionelle acceleratordesigns, tilbyder den en meget højere accelerationsgradient. Dette kunne bruges til at formindske størrelsen af ​​acceleratorer – i hvert fald i princippet.

"De felter, som disse dielektrika kan overleve fra lasere, er en til to størrelsesordener højere, end hvad kobber kan klare fra RF-bølger, og kan derfor teoretisk have en accelerationsgradient en til to størrelsesordener højere," forklarer Broaddus. Han påpeger dog, at skrumpning af hulrummets bredde med seks størrelsesordener introducerer udfordringer - herunder hvordan man holder elektronerne indespærret i en stråle og ikke får dem til at styrte ind i hulrummets vægge.

Nu har Broaddus og kolleger taget denne udfordring op ved at trække på tre teknologiske fremskridt. Disse er evnen til at skabe meget præcise halvleder nanostrukturer; evnen til at producere lyse, sammenhængende femtosekund laserimpulser med stabile gentagelseshastigheder; og evnen til at opretholde ultrahøjt vakuum inden for millimeterlange halvlederkaviteter.

Nye nanostrukturer og impulser

Ved det omhyggelige design af nanostrukturerne og brugen af ​​specialformede laserimpulser var holdet i stand til at skabe elektriske felter i deres nye hulrum, der fokuserer elektroner til en stråle.

Dette gjorde det muligt for holdet at accelerere en begrænset stråle af elektroner en afstand på 0.708 mm, hvilket øgede dets energi med 24 keV. "Dette repræsenterer en stigning i begge værdier sammenlignet med tidligere acceleratorer," forklarer Broaddus.

Baseret på deres seneste præstation er holdet overbevist om, at DLA'er i høj grad kan forbedre forskernes evne til at opnå subrelativistiske elektronenergier. "DLA'er kan nu behandles som en egentlig acceleratorteknologi, hvor vi kan udtrække traditionelle acceleratorparametre fra vores enheder, og som kan sammenlignes med andre acceleratorteknologier," forklarer Broaddus.

Til gengæld kan disse forbedringer bane vejen for nye opdagelser inden for grundlæggende fysik og kan endda tilbyde nye fordele inden for områder, herunder industri og medicin.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden