Forskere skaber en schweizisk hærkniv til elektronstråler

DESY-forskere har skabt en miniature-partikelaccelerator til elektroner, der kan udføre fire forskellige funktioner ved et tryk på en knap. Den eksperimentelle enhed drives af en terahertz-strålingskilde og kan accelerere, komprimere, fokusere og analysere elektronbundter i en stråle. Dens aktive strukturer måler kun et par millimeter på tværs. Udviklerne fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) præsenterer deres segmenterede terahertz elektronaccelerator og manipulator (STEAM) i tidsskriftet Naturfotonik . terahertz-stråling er placeret mellem mikrobølger og det infrarøde i det elektromagnetiske spektrum.

En af de centrale funktioner ved enheden er dens perfekte timing med elektronstrålen. Forskerne opnåede dette ved at bruge den samme laserpuls til at generere en elektronbunke og til at drive enheden. "At gøre dette, vi tager en infrarød laserpuls og deler den op, " forklarer førsteforfatter Dongfang Zhang fra gruppen af ​​Franz Kärtner ved CFEL. "Begge dele føres ind i ikke-lineære krystaller, der ændrer laserbølgelængden:Til generering af en elektronbund flyttes bølgelængden ind i det ultraviolette lys og ledes ind på en fotokatode, hvor den frigiver en masse elektroner. For DAMP er bølgelængden forskudt til terahertz-regimet. Den relative timing af de to dele af den originale laserimpuls afhænger kun af længden af ​​den vej, de tager og kan styres meget præcist."

Denne måde, forskerne kan kontrollere med ultrahøj præcision, hvilken del af terahertz-bølgen en elektronbundt rammer, når den kommer ind i enheden. Afhængigt af ankomsttiden for elektronbunken, STEAM udfører sine forskellige funktioner. "For eksempel, en flok, der rammer den negative del af det terahertz elektriske felt, accelereres, " forklarer Zhang. "Andre dele af bølgen fører til fokusering eller defokusering af gruppen eller til en kompression med en faktor på ti eller deromkring." Mens kompression betyder, at elektronbunken bliver kortere i flyveretningen, fokus betyder, at den krymper vinkelret på flyveretningen.

Derudover STEAM gør det muligt at udføre en analyse af strukturen af ​​elektronbunken langs dens flyvevej. Til denne teknik, kaldet streaking, det indkommende elektronbundt afbøjes sidelæns på en sådan måde, at det bliver udtværet vinkelret på flyveretningen. Når denne udtværede flok rammer en detektor, den producerer en profil af flokken langs dens flyvevej. Streaking bruges regelmæssigt til at analysere bundtstrukturerne i partikelacceleratorer. "STEAM er en slags schweizisk hærkniv til elektronstråler, " siger Zhang. For at udføre flere funktioner, som kompression og fokusering, flere enheder af enheden kan kombineres.

Brug af terahertz-stråling giver også mulighed for den kompakte størrelse af STEAM-enheden. "Terahertz-stråling har typisk hundrede gange kortere bølgelængder end den radiofrekvente stråling, der bruges i nutidens store partikelacceleratorer. Derfor alle strukturer i enheden kan krympe tilsvarende, " forklarer Kärtner, der er ledende videnskabsmand ved DESY og professor ved Universität Hamburg. Måler kun omkring to centimeter på den største side, STEAM passer nemt i en tændstikæske. "Og det er kun størrelsen på huset. De aktive strukturer er i millimeterskala, " tilføjer Zhang.

Teknologien er stadig på et eksperimentelt stadium. Udviklerne ser STEAM som et første skridt på vejen mod en fremtidig generation af kompakte, terahertz drevne partikelacceleratorer. Disse kunne muliggøre nye applikationer og komplementere nutidens acceleratorer. Også, lommemanipulatoren kan allerede bruges i dag:acceleratorgrupper rundt om i verden overvejer den allerede til gruppekarakterisering, som Kärtner påpeger:"STEAM kan bruges til fremtidige bordacceleratorer, men dens forskellige funktioner er også interessante for eksisterende maskiner."