A dielektromos lézergyorsító fókuszált elektronsugarat hoz létre – Fizika világa

Új, lézerrel vezérelt eszközt fejlesztettek ki amerikai kutatók, amely egyszerre képes korlátozni és felgyorsítani az elektronokat körülbelül egy milliméteres távolságra. A nanotudomány, a lézerek és a vákuumtechnológia fejlődésének ötvözésével Payton Broaddus és munkatársai A Stanford Egyetemen azt állítják, hogy kifejlesztették az eddigi legnagyobb teljesítményű dielektromos lézergyorsítót (DLA).

Amellett, hogy a töltött részecskéket, például az elektronokat nagy kinetikus energiákra készteti, egy hasznos gyorsítónak képesnek kell lennie arra is, hogy a részecskéket keskeny nyalábba zárja. Ezenkívül a nyalábnak a lehető legközelebb kell lennie a monoenergetikushoz.

A modern létesítményekben ezt általában rádiófrekvenciás (RF) üregekkel végzik, amelyeket rézzel vagy újabban szupravezetővel, például nióbiummal vonnak be. Ha erős rádiófrekvenciás jelek hajtják, ezek a rezonáns üregek nagyon nagy feszültségeket fejlesztenek ki, amelyek nagyon specifikus energiákat gyorsítanak fel a részecskéket. Az így elérhető maximális részecskeenergiáknak azonban fizikai korlátai vannak.

„Az elektromágneses mezők túl nagy méretűvé tétele károsíthatja az [üreg] falait, ami tönkreteszi a gépet” – magyarázza Broaddus. „Ez jelenleg minden hagyományos gyorsítónál jelentős korlátozás, és a biztonságos gyorsulási gradienst méterenként több tíz megaelektronvoltra korlátozza.” Valójában ez a fő oka annak, hogy a gyorsítók egyre nagyobbak és drágábbak a nagyobb részecskeenergiák elérése érdekében.

Alternatív gyorsító kialakítások

Kompaktabb eszközök létrehozása érdekében a kutatók világszerte számos alternatív gyorsítótechnológiát kutatnak, azzal a céllal, hogy a lehető legnagyobb gyorsulási gradienst érjék el a legrövidebb távolságon.

Az egyik ígéretes technológia a DLA, amely először az 1950-es években született. Ahelyett, hogy az RF jelet egy vezető üregbe irányítaná, a DLA azt jelenti, hogy egy lézert lőnek át egy dielektromos anyagon belüli apró csatornán keresztül. Ez váltakozó elektromos mezőt hoz létre a csatornán belül, amely rezonáns üregként működik. Az üreg nanoszerkezetének optimalizálásával és az elektronok csatornán való áthaladásának gondos időzítésével a részecskék felgyorsulnak.

Noha ennek a beállításnak a fizikája nagyjából hasonló a hagyományosabb gyorsítószerkezetekhez, sokkal nagyobb gyorsulási gradienst kínál. Ezzel lehetne csökkenteni a gyorsítók méretét – legalábbis elvileg.

"Azok a mezők, amelyeket ezek a dielektrikumok túlélnek a lézerekből, egy-két nagyságrenddel nagyobbak, mint amit a réz képes kezelni az RF hullámokból, és így elméletileg egy-két nagyságrenddel nagyobb lehet a gyorsulási gradiens" - magyarázza Broaddus. Ugyanakkor rámutat arra, hogy az üreg szélességének hat nagyságrenddel való csökkentése kihívásokat jelent – ​​többek között azt, hogyan lehet az elektronokat egy nyalábban zárva tartani, és ne ütközzenek bele az üreg falába.

A Broaddus és munkatársai most három technológiai vívmányra támaszkodva kezelték ezt a kihívást. Ezek a képességek nagyon precíz félvezető nanoszerkezetek létrehozására; fényes, koherens femtoszekundumos lézerimpulzusok előállításának képessége stabil ismétlési sebességgel; valamint az ultranagy vákuum fenntartásának képessége a milliméter hosszú félvezető üregekben.

Új nanostruktúrák és impulzusok

A nanostruktúrák gondos megtervezésével és a speciálisan kialakított lézerimpulzusok használatával a csapat új üregében elektromos mezőket tudott létrehozni, amelyek az elektronokat nyalábban fókuszálják.

Ez lehetővé tette a csapat számára, hogy egy korlátozott elektronsugarat 0.708 mm távolságra felgyorsítson, 24 keV-tal növelve az energiát. „Ez mindkét érdemi értékben nagyságrendileg növekedést jelent a korábbi gyorsítókhoz képest” – magyarázza Broaddus.

Legutóbbi eredményeik alapján a csapat biztos abban, hogy a DLA-k jelentősen javíthatják a kutatók azon képességét, hogy szubrelativisztikus elektronenergiákat érjenek el. „A DLA-k ma már tényleges gyorsítótechnológiaként kezelhetők, ahol a hagyományos gyorsítóparamétereket kinyerhetjük eszközeinkből, és amely összehasonlítható más gyorsítótechnológiákkal” – magyarázza Broaddus.

Ezek a fejlesztések pedig utat nyithatnak az alapvető fizika új felfedezései előtt, és akár új előnyöket is kínálhatnak olyan területeken, mint az ipar és az orvostudomány.

A kutatás leírása a Fizikai áttekintés betűk.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/