Acceleratorul laser dielectric creează un fascicul de electroni focalizat – Physics World

Acceleratorul laser dielectric creează un fascicul de electroni focalizat – Physics World

Marca temporală: 10 aprilie 2024 11:57


Accelerator laser dielectric
Cum ar putea funcționa: electronii sunt injectați în acceleratorul laser dielectric (centru) dintr-o sursă din stânga sus. Cavitățile se află în lingourile de turcoaz și auriu, care sunt iluminate cu lumină laser (afișată într-o culoare somon). În acest exemplu, electronii accelerați sunt utilizați pentru a crea lumină sincrotron folosind un ondulator (dreapta jos). (Cu amabilitatea: Payton Broaddus)

Un nou dispozitiv acţionat de laser care poate limita şi accelera electronii pe distanţe de aproximativ un milimetru a fost dezvoltat de cercetătorii din SUA. Combinând progresele în nanoștiință, lasere și tehnologia vidului, Payton Broaddus și colegii de la Universitatea Stanford spun că au dezvoltat cel mai performant accelerator cu laser dielectric (DLA) până în prezent.

Pe lângă conducerea particulelor încărcate, cum ar fi electronii, la energii cinetice mari, un accelerator util trebuie să poată, de asemenea, să limiteze particulele într-un fascicul îngust. În plus, fasciculul trebuie să fie cât mai aproape de monoenergetic.

În instalațiile moderne, acest lucru se face de obicei folosind cavități de radiofrecvență (RF) care sunt acoperite cu cupru sau, mai recent, cu un supraconductor, cum ar fi niobiul. Când sunt conduse de semnale RF puternice, aceste cavități rezonante dezvoltă tensiuni foarte înalte care accelerează particulele cu energii foarte specifice. Cu toate acestea, există limite fizice ale energiilor maxime ale particulelor care pot fi atinse în acest fel.

„Făcând câmpurile electromagnetice prea mari poate duce la deteriorarea pereților [cavității], ceea ce distruge mașina”, explică Broaddus. „Aceasta este în prezent o limitare majoră a tuturor acceleratoarelor convenționale și limitează gradientul de accelerație sigur la zeci de megaelectronvolți pe metru.” Într-adevăr, acesta este motivul principal pentru care acceleratoarele continuă să devină mai mari și mai scumpe pentru a obține energii mai mari ale particulelor.

Modele alternative de accelerație

Pentru a crea dispozitive mai compacte, cercetătorii din întreaga lume explorează o varietate de tehnologii alternative de accelerație, cu scopul de a obține cel mai mare gradient de accelerație posibil pe cea mai scurtă distanță.

O tehnologie promițătoare este DLA, care a fost concepută pentru prima dată în anii 1950. În loc să direcționeze un semnal RF către o cavitate conducătoare, un DLA implică tragerea unui laser printr-un canal minuscul dintr-un material dielectric. Acest lucru creează un câmp electric alternativ în interiorul canalului, care acționează ca o cavitate rezonantă. Prin optimizarea nanostructurii cavității și prin sincronizarea atentă a momentului în care electronii sunt trimiși prin canal, particulele sunt accelerate.

În timp ce fizica acestei configurații este în general similară cu modelele de acceleratoare mai convenționale, oferă un gradient de accelerație mult mai mare. Acest lucru ar putea fi folosit pentru a micșora dimensiunea acceleratoarelor – cel puțin în principiu.

„Câmpurile pe care acești dielectrici pot supraviețui de la lasere sunt cu unu până la două ordine de mărime mai mari decât cele pe care cuprul le poate gestiona de la undele RF și, astfel, teoretic, poate avea un gradient de accelerație cu unul până la două ordine de mărime mai mare”, explică Broaddus. Cu toate acestea, el subliniază că micșorarea lățimii cavității cu șase ordine de mărime introduce provocări - inclusiv cum să menținem electronii limitați într-un fascicul și să nu-i trântească în pereții cavității.

Acum, Broaddus și colegii au abordat această provocare bazându-se pe trei progrese tehnologice. Acestea sunt capacitatea de a crea nanostructuri semiconductoare foarte precise; capacitatea de a produce impulsuri laser femtosecunde luminoase, coerente, cu rate stabile de repetiție; și capacitatea de a menține un vid ultraînalt în cavitățile semiconductoare cu lungimea milimetrică.

Noi nanostructuri și impulsuri

Prin proiectarea atentă a nanostructurilor și utilizarea impulsurilor laser cu formă specială, echipa a reușit să creeze câmpuri electrice în noua lor cavitate care concentrează electronii într-un fascicul.

Acest lucru a permis echipei să accelereze un fascicul limitat de electroni la o distanță de 0.708 mm, sporindu-și energia cu 24 keV. „Acest lucru reprezintă o creștere de ordin de mărime a ambelor cifre de merit în comparație cu acceleratoarele anterioare”, explică Broaddus.

Pe baza ultimei lor realizări, echipa este încrezătoare că DLA-urile ar putea îmbunătăți considerabil capacitatea cercetătorilor de a obține energii electronice sub-relativiste. „DLA-urile pot fi acum tratate ca o tehnologie de accelerație reală, de unde putem extrage parametrii de accelerație tradiționali din dispozitivele noastre și care pot fi comparate cu alte tehnologii de accelerare”, explică Broaddus.

La rândul lor, aceste îmbunătățiri ar putea deschide calea pentru noi descoperiri în fizica fundamentală și pot chiar oferi noi beneficii în domenii precum industrie și medicină.

Cercetarea este descrisă în Scrisori de recenzie fizică.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii