Dielektriline laserkiirendi loob fokuseeritud elektronkiire – Physics World

USA teadlased on välja töötanud uue laseriga juhitava seadme, mis suudab elektrone nii piirata kui ka kiirendada umbes millimeetri kaugusel. Ühendades nanoteaduse, laserite ja vaakumtehnoloogia edusammud, Payton Broaddus ja kolleegid Stanfordi ülikooli teadlased väidavad, et nad on välja töötanud seni suurima jõudlusega dielektrilise laserkiirendi (DLA).

Lisaks laetud osakeste, nagu elektronide, suurele kineetilisele energiale suunamisele peab kasulik kiirendi suutma ka osakesed kitsasse kiirtesse piirata. Lisaks peab kiir olema võimalikult lähedal monoenergeetilisele.

Kaasaegsetes rajatistes tehakse seda tavaliselt raadiosageduslike (RF) õõnsuste abil, mis on kaetud vasega või hiljuti ülijuhiga, näiteks nioobiumiga. Kui neid juhivad võimsad RF-signaalid, arendavad need resonantsõõnsused väga kõrgeid pingeid, mis kiirendavad osakesi väga spetsiifilise energiaga. Sel viisil saavutatavatel osakeste maksimaalsetel energiatel on aga füüsilised piirangud.

"Elektromagnetväljade liiga suureks muutmine võib kahjustada [õõnsuse] seinu, mis rikub masinat, " selgitab Broaddus. "See on praegu kõigi tavaliste kiirendite peamine piirang ja piirab ohutu kiirenduse gradienti kümnete megaelektronvoltideni meetri kohta." Tõepoolest, see on peamine põhjus, miks kiirendid muutuvad suuremaks ja kallimaks, et saavutada suuremat osakeste energiat.

Alternatiivsed kiirendi kujundused

Kompaktsemate seadmete loomiseks uurivad teadlased üle maailma erinevaid alternatiivseid kiirendustehnoloogiaid, eesmärgiga saavutada võimalikult kõrge kiirendusgradient võimalikult lühikese vahemaa jooksul.

Üks paljutõotav tehnoloogia on DLA, mis loodi esmakordselt 1950. aastatel. Selle asemel, et suunata RF-signaali juhtivasse õõnsusse, hõlmab DLA laseri tulistamist dielektrilise materjali väikese kanali kaudu. See loob kanalis vahelduva elektrivälja, mis toimib resonantsõõnsusena. Õõnsuse nanostruktuuri optimeerimine ja elektronide kanali kaudu saatmise hoolikas ajastus kiirendavad osakesi.

Kuigi selle seadistuse füüsika on laias laastus sarnane tavapärasemate kiirendite konstruktsioonidega, pakub see tunduvalt suuremat kiirendusgradienti. Seda saaks kasutada kiirendite suuruse vähendamiseks – vähemalt põhimõtteliselt.

"Väljad, mida need dielektrikud suudavad laseritest ellu jääda, on üks kuni kaks suurusjärku suuremad kui see, mida vask suudab RF-lainetega toime tulla, ja seega võib nende kiirendusgradient teoreetiliselt olla üks kuni kaks suurusjärku suurem," selgitab Broaddus. Siiski juhib ta tähelepanu sellele, et õõnsuse laiuse vähendamine kuue suurusjärgu võrra toob kaasa väljakutseid – sealhulgas kuidas hoida elektronid kiirus ja mitte lasta neil vastu õõnsuse seinu kokku põrgata.

Nüüd on Broaddus ja kolleegid selle väljakutsega tegelenud, tuginedes kolmele tehnoloogiale. Need on võime luua väga täpseid pooljuhtide nanostruktuure; võime toota eredaid, koherentseid femtosekundiseid laserimpulsse stabiilse kordussagedusega; ja võime säilitada ülikõrget vaakumit millimeetri pikkustes pooljuhtide õõnsustes.

Uued nanostruktuurid ja impulsid

Nanostruktuuride hoolika kavandamise ja spetsiaalse kujuga laserimpulsside kasutamise abil suutis meeskond luua oma uues õõnsuses elektriväljad, mis fokusseerivad elektronid kiireks.

See võimaldas meeskonnal kiirendada piiratud elektronkiirt 0.708 mm kaugusele, suurendades selle energiat 24 keV võrra. "See näitab mõlema teenete arvu suurusjärku võrreldes eelmiste kiirenditega, " selgitab Broaddus.

Nende viimaste saavutuste põhjal on meeskond kindel, et DLA-d võivad oluliselt parandada teadlaste võimet saavutada subrelativistlikke elektronenergiaid. "DLA-sid saab nüüd käsitleda kui tegelikku kiirenditehnoloogiat, kus saame oma seadmetest eraldada traditsioonilised kiirendi parameetrid ja mida saab võrrelda teiste kiirenditehnoloogiatega," selgitab Broaddus.

Need täiustused võivad omakorda sillutada teed uutele avastustele fundamentaalses füüsikas ja võivad isegi pakkuda uusi eeliseid valdkondades, sealhulgas tööstuses ja meditsiinis.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Physical Review Letters.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/