Діелектричний лазерний прискорювач створює сфокусований промінь електронів – Physics World

Дослідники в США розробили новий лазерний пристрій, який може як утримувати, так і прискорювати електрони на відстані близько міліметра. Поєднуючи досягнення нанонауки, лазерів і вакуумних технологій, Пейтон Броддус та його колеги у Стенфордському університеті кажуть, що вони розробили найефективніший на сьогодні діелектричний лазерний прискорювач (DLA).

Крім того, що заряджені частинки, такі як електрони, мають високу кінетичну енергію, корисний прискорювач також повинен мати можливість обмежувати частинки у вузький пучок. Крім того, промінь також повинен бути максимально близьким до моноенергетичного.

У сучасних установах це зазвичай робиться за допомогою радіочастотних (РЧ) порожнин, які покриті міддю або нещодавно надпровідником, таким як ніобій. Під впливом потужних радіочастотних сигналів ці резонансні порожнини створюють дуже високі напруги, які прискорюють частинки з дуже певною енергією. Однак існують фізичні обмеження на максимальні енергії частинок, яких можна досягти таким чином.

«Збільшення електромагнітних полів може призвести до пошкодження стінок [порожнини], що зруйнує машину», — пояснює Броддус. «В даний час це головне обмеження для всіх звичайних прискорювачів і обмежує безпечний градієнт прискорення десятками мегаелектронвольт на метр». Справді, це головна причина, чому прискорювачі стають все більшими та дорожчими, щоб досягти вищих енергій частинок.

Альтернативні конструкції прискорювачів

Щоб створити більш компактні пристрої, дослідники по всьому світу досліджують різноманітні альтернативні технології прискорювачів з метою досягнення максимально можливого градієнта прискорення на найкоротшій відстані.

Однією з багатообіцяючих технологій є DLA, яка була вперше задумана в 1950-х роках. Замість того, щоб направляти радіочастотний сигнал на провідну порожнину, DLA передбачає випромінювання лазера через крихітний канал у діелектричному матеріалі. Це створює змінне електричне поле всередині каналу, яке діє як резонансна порожнина. Завдяки оптимізації наноструктури порожнини та ретельному вибору часу, коли електрони надсилаються через канал, частинки прискорюються.

Хоча фізика цієї установки загалом схожа на більш звичайні конструкції прискорювачів, вона пропонує значно вищий градієнт прискорення. Це можна використати для зменшення розміру прискорювачів – принаймні в принципі.

«Поля, які ці діелектрики можуть витримувати від лазерів, на один-два порядки вищі, ніж те, що мідь може витримувати від радіочастотних хвиль, і, таким чином, теоретично, градієнт прискорення може бути на один-два порядки вище», — пояснює Броддус. Однак він зазначає, що зменшення ширини порожнини на шість порядків створює проблеми, зокрема, як утримати електрони в пучку, щоб вони не врізалися в стінки порожнини.

Тепер Броддус і його колеги вирішили цю проблему, спираючись на три технологічні досягнення. Це здатність створювати дуже точні напівпровідникові наноструктури; здатність виробляти яскраві, когерентні фемтосекундні лазерні імпульси зі стабільною частотою повторення; і здатність підтримувати надвисокий вакуум у напівпровідникових порожнинах довжиною міліметр.

Нові наноструктури та імпульси

Завдяки ретельному дизайну наноструктур і використанню лазерних імпульсів спеціальної форми команда змогла створити електричні поля в новому резонаторі, які фокусують електрони в пучок.

Це дозволило команді прискорити обмежений пучок електронів на відстань 0.708 мм, підвищивши його енергію на 24 кеВ. «Це на порядок збільшує показники якості порівняно з попередніми прискорювачами», — пояснює Броддус.

Грунтуючись на своєму останньому досягненні, команда впевнена, що DLA можуть значно покращити здатність дослідників досягати субрелятивістських енергій електронів. «Тепер DLA можна розглядати як фактичну технологію прискорювача, де ми можемо витягувати традиційні параметри прискорювача з наших пристроїв і які можна порівняти з іншими технологіями прискорювача», — пояснює Броддус.

У свою чергу, ці вдосконалення можуть прокласти шлях до нових відкриттів у фундаментальній фізиці та навіть запропонувати нові переваги в галузях промисловості та медицини.

Дослідження описано в Physical Review Letters,.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/