Ο διηλεκτρικός επιταχυντής λέιζερ δημιουργεί εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων – Physics World

Μια νέα συσκευή με λέιζερ που μπορεί να περιορίσει και να επιταχύνει ηλεκτρόνια σε αποστάσεις περίπου ενός χιλιοστού αναπτύχθηκε από ερευνητές στις ΗΠΑ. Συνδυάζοντας τις προόδους στη νανοεπιστήμη, τα λέιζερ και την τεχνολογία κενού, Payton Broaddus και συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ λένε ότι έχουν αναπτύξει τον διηλεκτρικό επιταχυντή λέιζερ με την υψηλότερη απόδοση μέχρι σήμερα.

Εκτός από την οδήγηση φορτισμένων σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια σε υψηλές κινητικές ενέργειες, ένας χρήσιμος επιταχυντής πρέπει επίσης να μπορεί να περιορίζει τα σωματίδια σε μια στενή δέσμη. Επιπλέον, η δέσμη πρέπει επίσης να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη μονοενεργητική.

Στις σύγχρονες εγκαταστάσεις, αυτό γίνεται συνήθως με τη χρήση κοιλοτήτων ραδιοσυχνοτήτων (RF) που είναι επικαλυμμένες με χαλκό ή πιο πρόσφατα με έναν υπεραγωγό όπως το νιόβιο. Όταν οδηγούνται από ισχυρά σήματα ραδιοσυχνοτήτων, αυτές οι κοιλότητες συντονισμού αναπτύσσουν πολύ υψηλές τάσεις που επιταχύνουν τα σωματίδια με πολύ συγκεκριμένες ενέργειες. Ωστόσο, υπάρχουν φυσικά όρια στις μέγιστες ενέργειες των σωματιδίων που μπορούν να επιτευχθούν με αυτόν τον τρόπο.

«Κάνοντας τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία πολύ μεγάλα μπορεί να προκληθεί ζημιά στα τοιχώματα [της κοιλότητας], γεγονός που καταστρέφει το μηχάνημα», εξηγεί ο Broaddus. «Αυτός είναι επί του παρόντος ένας σημαντικός περιορισμός σε όλους τους συμβατικούς επιταχυντές και περιορίζει την ασφαλή κλίση επιτάχυνσης σε δεκάδες μεγαηλεκτρονβολτ ανά μέτρο». Πράγματι, αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο οι επιταχυντές συνεχίζουν να γίνονται μεγαλύτεροι και ακριβότεροι προκειμένου να επιτευχθούν υψηλότερες ενέργειες σωματιδίων.

Εναλλακτικά σχέδια επιταχυντή

Για να δημιουργήσουν πιο συμπαγείς συσκευές, ερευνητές παγκοσμίως εξερευνούν μια ποικιλία εναλλακτικών τεχνολογιών επιταχυντών, με στόχο την επίτευξη της υψηλότερης δυνατής κλίσης επιτάχυνσης στη μικρότερη απόσταση.

Μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία είναι η DLA, η οποία σχεδιάστηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1950. Αντί να κατευθύνει ένα σήμα RF σε μια αγώγιμη κοιλότητα, ένα DLA περιλαμβάνει την εκτόξευση ενός λέιζερ σε ένα μικροσκοπικό κανάλι μέσα σε ένα διηλεκτρικό υλικό. Αυτό δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο κανάλι, το οποίο λειτουργεί ως κοιλότητα συντονισμού. Με τη βελτιστοποίηση της νανοδομής της κοιλότητας και με τον προσεκτικό χρονισμό της αποστολής ηλεκτρονίων μέσω του καναλιού, τα σωματίδια επιταχύνονται.

Ενώ η φυσική αυτής της εγκατάστασης είναι σε γενικές γραμμές παρόμοια με πιο συμβατικά σχέδια επιταχυντών, προσφέρει μια πολύ υψηλότερη κλίση επιτάχυνσης. Αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη συρρίκνωση του μεγέθους των επιταχυντών – τουλάχιστον κατ’ αρχήν.

«Τα πεδία που μπορούν να επιβιώσουν αυτά τα διηλεκτρικά από τα λέιζερ είναι μία έως δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερα από αυτά που μπορεί να χειριστεί ο χαλκός από τα κύματα ραδιοσυχνοτήτων και έτσι, θεωρητικά, μπορεί να έχουν κλίση επιτάχυνσης μία έως δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερη», εξηγεί ο Broaddus. Ωστόσο, επισημαίνει ότι η συρρίκνωση του πλάτους της κοιλότητας κατά έξι τάξεις μεγέθους εισάγει προκλήσεις - συμπεριλαμβανομένου του τρόπου διατήρησης των ηλεκτρονίων περιορισμένων σε μια δέσμη και μη συντριβής τους στα τοιχώματα της κοιλότητας.

Τώρα, ο Broaddus και οι συνεργάτες του αντιμετώπισαν αυτήν την πρόκληση βασιζόμενοι σε τρεις τεχνολογικές εξελίξεις. Αυτές είναι η ικανότητα δημιουργίας πολύ ακριβών νανοδομών ημιαγωγών. την ικανότητα παραγωγής φωτεινών, συνεκτικών παλμών λέιζερ femtosecond με σταθερούς ρυθμούς επανάληψης. και την ικανότητα διατήρησης εξαιρετικά υψηλού κενού μέσα σε κοιλότητες ημιαγωγών μήκους χιλιοστών.

Νέες νανοδομές και παλμοί

Με τον προσεκτικό σχεδιασμό των νανοδομών και τη χρήση ειδικά διαμορφωμένων παλμών λέιζερ, η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει ηλεκτρικά πεδία μέσα στη νέα τους κοιλότητα που εστιάζουν τα ηλεκτρόνια σε μια δέσμη.

Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να επιταχύνει μια περιορισμένη δέσμη ηλεκτρονίων σε απόσταση 0.708 mm, ενισχύοντας την ενέργειά της κατά 24 keV. «Αυτό αντιπροσωπεύει μια τάξη μεγέθους αύξηση και στα δύο νούμερα αξίας σε σύγκριση με προηγούμενους επιταχυντές», εξηγεί ο Broaddus.

Με βάση το τελευταίο τους επίτευγμα, η ομάδα είναι πεπεισμένη ότι τα DLA θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά την ικανότητα των ερευνητών να επιτυγχάνουν υποσχετιστικές ενέργειες ηλεκτρονίων. «Τα DLA μπορούν πλέον να αντιμετωπίζονται ως μια πραγματική τεχνολογία επιταχυντή, όπου μπορούμε να εξαγάγουμε παραδοσιακές παραμέτρους επιταχυντή από τις συσκευές μας και οι οποίες μπορούν να συγκριθούν με άλλες τεχνολογίες επιταχυντών», εξηγεί ο Broaddus.

Με τη σειρά τους, αυτές οι βελτιώσεις θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για νέες ανακαλύψεις στη θεμελιώδη φυσική και μπορεί ακόμη και να προσφέρουν νέα οφέλη σε τομείς όπως η βιομηχανία και η ιατρική.

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/