Strålingsteknik kan tilbyde et mindre skadeligt alternativ til røntgenstråler

En ny kilde til intens terahertz (THz) stråling, som kunne tilbyde et mindre skadeligt alternativ til røntgenstråler og har et stort potentiale for brug i industrien, udvikles af forskere ved University of Strathclyde og Capital Normal University i Beijing.

I modsætning til synligt lys, THz stråling trænger ind i materialer som plast, pap, træ og kompositmaterialer, gør det til en glimrende erstatning for skadelige røntgenstråler, der bruges til billeddannelse, og sikkerhed.

Selvom det er velkendt, at THz elektromagnetiske bølger kan bære kommunikation med ultrahøj båndbredde, langt overstiger Wi-Fi, det er mindre velkendt, at det er en yderst nyttig probe til påvisning af molekyler og analyse af halvledere.

Et forskerhold ledet af professor Dino Jaroszynski, fra Strathclydes Institut for Fysik, har eksperimentelt vist, at hidtil uset højladende bundter af relativistiske elektroner kan produceres af en laserwakefield-accelerator (LWFA). Disse er produceret ud over den sædvanlige højenergi, lavladede stråler, der udsendes.

Holdet viste, at når en intens ultrakort laserpuls fokuseres til heliumgas, der dannes en plasmaboble, der bevæger sig med næsten lysets hastighed. Disse højladningsstråler af elektroner adskiller sig fra den sædvanlige lavopladning (picocoloumb), høj energi (100s MeV til GeV), femtosekund varighed elektronbundter, der almindeligvis observeres fra LWFA.

Forskningen er blevet offentliggjort i New Journal of Physics .

Professor Jaroszynski, Direktør for Scottish Center for the Application Plasma-based Accelerators (SCAPA), hvem igangsatte projektet, sagde:"Dette er en hidtil uset effektivitet ved disse THz -energier. Den stigende tilgængelighed af intense THz -kilder vil føre til helt nye veje inden for videnskab og teknologi.

"Nye værktøjer til forskere fører til nye fremskridt. Interaktionen mellem intens THz -stråling og stof giver adgang til ikke -lineære processer, som gør det muligt at identificere normalt skjulte fænomener, og også enestående kontrol over stof, såsom at tilpasse molekyler ved hjælp af høje THz -felter eller forvrængende båndstruktur i halvledere.

"SCAPA giver et ideelt miljø til at undersøge disse fænomener, hvilket skulle føre til nye fremskridt inden for videnskab. Vores teoretiske undersøgelser er de første skridt i denne spændende nye retning. "

Dr. Enrico Brunetti, fra Strathclydes Institut for Fysik, udført de fleste af simuleringerne i forskningen. Han sagde:"Da ladningen af ​​vidvinkelstråler stiger lineært med laserintensitet og plasmatæthed, energien af ​​THz-stråling vil skalere til milijoule-niveauer, som ville lave en intens kilde til THz -stråling med spidseffekter over GW, hvilket er sammenligneligt med en langt-infrarød frielektronlaser. En optisk til terahertz konverteringseffektivitet i størrelsesordenen 1% kan nås."

Dr. Xue Yang, en forsker i projektet fra Capital Normal University, sagde:"Når elektroner krydser en grænseflade mellem to medier med forskellig dielektrisk konstant, overgangsstråling udsendes over en lang række frekvenser.

"Simuleringer viser, at vidvinklede elektronstråler udsendt af laser-vågefeltacceleratorer kan producere kohærent terahertz-stråling med 10s µJ til 100s µJ energi, når de passerer gennem en tynd metalfolie eller ved acceleratorens plasmavakuumgrænse."

THz-stråling er fjern-infrarød elektromagnetisk stråling, der har en frekvens mellem 0,1 THz og 10 THz (1 THz =10^12 Hz), som passer mellem det mellem-infrarøde og mikrobølgespektre. Vibrations- og rotationsspektrale fingeraftryk af store molekyler falder sammen med THz-båndet, hvilket gør THz -spektroskopi til et kraftfuldt værktøj til at identificere farlige stoffer, såsom stoffer og sprængstoffer. I øvrigt, THz -stråling er vigtig for biologi og medicin, fordi mange biologiske makromolekyler, såsom DNA og proteiner, har deres kollektive bevægelse ved THz-frekvenser.

THz -stråling kan også bruges til at afdække kompleksiteten af ​​halvledere og nanostrukturer, og derfor er vigtige værktøjer til udvikling af nye elektromekaniske enheder og solceller.

Der findes mange forskellige metoder til at generere THz -stråling, herunder at drive fotostrømme i halvlederantenner, excitation af kvantebrønde og optisk rektificering i elektrooptiske krystaller. Imidlertid, deres maksimale effekt er begrænset på grund af beskadigelse af de optiske materialer ved høj effekt. Plasma, i modsætning, har ingen sådan begrænsning, da den allerede er gået i stykker

Den nye forskning viser, at disse højladede nanokolomb-, og relativt lav energi (MeV), elektronbunker med sub-picosekunders varighed udsendes i en hul kegle med en åbningsvinkel på næsten 45 grader til laserstråleaksen. Forskerne viser, at laserenergi effektivt kan overføres til en meget intens puls af THz-stråling.