מאיץ לייזר דיאלקטרי יוצר אלומת אלקטרונים ממוקדת - עולם הפיזיקה

מכשיר חדש מונע בלייזר שיכול גם להגביל ולהאיץ אלקטרונים למרחקים של כמילימטר, פותח על ידי חוקרים בארה"ב. על ידי שילוב התקדמות בתחום הננו-מדע, לייזרים וטכנולוגיית ואקום, פייטון ברודוס ועמיתיו באוניברסיטת סטנפורד אומרים שהם פיתחו את מאיץ הלייזר הדיאלקטרי (DLA) בעל הביצועים הגבוהים ביותר עד כה.

כמו גם להניע חלקיקים טעונים כמו אלקטרונים לאנרגיות קינטיות גבוהות, מאיץ שימושי חייב להיות מסוגל גם להגביל את החלקיקים לתוך קרן צרה. יתר על כן, הקרן חייבת להיות קרובה ככל האפשר למונו-אנרגטית.

במתקנים מודרניים, זה נעשה בדרך כלל באמצעות חללים בתדר רדיו (RF) המצופים בנחושת או לאחרונה במוליך-על כגון ניוביום. כאשר הם מונעים על ידי אותות RF חזקים, חללי התהודה הללו מפתחים מתחים גבוהים מאוד המאיצים חלקיקים באנרגיות ספציפיות מאוד. עם זאת, ישנן מגבלות פיזיקליות על אנרגיות החלקיקים המקסימליות שניתן להשיג בדרך זו.

"הפיכת השדות האלקטרומגנטיים לגדולים מדי עלולה לגרום לנזק לקירות [החלל], מה שהורס את המכונה", מסביר ברודוס. "זוהי כיום מגבלה מרכזית בכל המאיצים הקונבנציונליים ומגבילה את שיפוע התאוצה הבטוח לעשרות מגה-אלקטרון-וולט למטר." ואכן, זו הסיבה העיקרית לכך שהמאיצים הולכים וגדלים ומתייקרים על מנת להשיג אנרגיות חלקיקים גבוהות יותר.

עיצובי מאיץ חלופיים

כדי ליצור מכשירים קומפקטיים יותר, חוקרים ברחבי העולם בוחנים מגוון טכנולוגיות מאיץ חלופי, במטרה להשיג את שיפוע התאוצה הגבוה ביותר האפשרי לאורך המרחק הקצר ביותר.

טכנולוגיה מבטיחה אחת היא DLA, אשר נוצרה לראשונה בשנות החמישים. במקום לכוון אות RF לחלל מוליך, DLA כולל ירי לייזר על פני תעלה זעירה בתוך חומר דיאלקטרי. זה יוצר שדה חשמלי מתחלף בתוך התעלה, שפועל כחלל תהודה. על ידי ייעול הננו-מבנה של החלל ועל ידי תזמון קפדני של מועד שליחת אלקטרונים דרך הערוץ, החלקיקים מואצים.

בעוד שהפיזיקה של התקנה זו דומה בגדול לעיצובי מאיצים קונבנציונליים יותר, היא מציעה שיפוע תאוצה גבוה בהרבה. זה יכול לשמש כדי לכווץ את גודל המאיצים - לפחות באופן עקרוני.

"השדות שהדיאלקטריים האלה יכולים לשרוד מלייזרים הם בסדרי גודל אחד עד שניים יותר ממה שנחושת יכולה להתמודד מגלי RF, ולכן, תיאורטית, יכול להיות שיפוע תאוצה גבוה יותר בסדרי גודל אחד עד שניים", מסביר ברודוס. עם זאת, הוא מציין כי כיווץ רוחב החלל כלפי מטה בשישה סדרי גודל מציג אתגרים - כולל איך לשמור את האלקטרונים כלואים בקרן, ולא לגרום להם להתרסק בדפנות החלל.

כעת, Broaddus ועמיתיו התמודדו עם האתגר הזה על ידי הסתמכות על שלוש התקדמות טכנולוגית. אלה הם היכולת ליצור ננו-מבנים של מוליכים למחצה מדויקים מאוד; היכולת לייצר פולסי לייזר בהירים וקוהרנטיים של פמט שנייה עם שיעורי חזרות יציבים; והיכולת לשמור על ואקום גבוה במיוחד בתוך חללי מוליכים למחצה באורך מילימטר.

ננו-מבנים ופולסים חדשים

על ידי תכנון קפדני של הננו-מבנים והשימוש בפולסי לייזר בצורת מיוחד, הצוות הצליח ליצור שדות חשמליים בתוך החלל החדש שלהם הממקדים אלקטרונים לאורה.

זה איפשר לצוות להאיץ אלומת אלקטרונים מוגבלת למרחק של 0.708 מ"מ, ולהגביר את האנרגיה שלו ב-24 keV. "זה מייצג עלייה בסדר גודל בשני נתוני הכשרון בהשוואה למאיצים קודמים", מסביר Broaddus.

בהתבסס על ההישג האחרון שלהם, הצוות בטוח ש-DLAs יכולים לשפר במידה ניכרת את יכולתם של החוקרים להשיג אנרגיות אלקטרוניות תת-יחסיות. "כעת ניתן להתייחס ל-DLAs כאל טכנולוגיית מאיץ ממשית, שבה אנו יכולים לחלץ פרמטרי מאיץ מסורתיים מהמכשירים שלנו ושניתן להשוות אותם לטכנולוגיות מאיץ אחרות", מסביר Broaddus.

בתורו, שיפורים אלה יכולים לסלול את הדרך לתגליות חדשות בפיזיקה בסיסית, ואולי אף להציע יתרונות חדשים בתחומים כולל תעשייה ורפואה.

המחקר מתואר ב מכתבי סקירה פיזית.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/