Eksperimentel mini-accelerator opnår rekord energi

Forskere ved DESY har opnået en ny verdensrekord for en eksperimentel type miniaturepartikelaccelerator:For første gang, en terahertz -drevet accelerator mere end fordoblet energien fra de injicerede elektroner. På samme tid, opsætningen forbedrede elektronstrålekvaliteten betydeligt i forhold til tidligere eksperimenter med teknikken, som Dongfang Zhang og hans kolleger fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ved DESY-rapport i tidsskriftet Optica . "Vi har opnået de bedste stråleparametre endnu for terahertz -acceleratorer, "sagde Zhang.

"Dette resultat repræsenterer et kritisk skridt fremad for den praktiske implementering af terahertz-drevne acceleratorer, "understregede Franz Kärtner, der leder gruppen for ultrahurtig optik og røntgenstråler hos DESY. Terahertz -stråling ligger mellem infrarøde og mikrobølgefrekvenser i det elektromagnetiske spektrum og lover en ny generation af kompakte partikelacceleratorer. "Bølgelængden af ​​terahertz -stråling er omkring hundrede gange kortere end de radiobølger, der i øjeblikket bruges til at accelerere partikler, "forklarede Kärtner." Det betyder, at acceleratorens komponenter også kan bygges til at være omkring hundrede gange mindre. "Terahertz-metoden lover acceleratorer i laboratoriestørrelse, der muliggør helt nye applikationer, f.eks. som kompakte røntgenkilder til materialer videnskab og måske endda til medicinsk billeddannelse. Teknologien er i øjeblikket under udvikling.

Da terahertz -bølger svinger så hurtigt, hver komponent og hvert trin skal synkroniseres præcist. "For eksempel, for at opnå den bedste energitilvækst, elektronerne skal ramme terahertz -feltet nøjagtigt under sin accelererende halve cyklus, "forklarede Zhang. I acceleratorer, partikler flyver normalt ikke i en kontinuerlig stråle, men er pakket i bundter. På grund af det hurtigt skiftende felt, i terahertz -acceleratorer skal disse bundter være meget korte for at sikre jævne accelerationsforhold langs flokken.

"I tidligere forsøg var elektronbundterne for lange", sagde Zhang. "Da terahertz -feltet svinger så hurtigt, nogle af elektronerne i flokken blev accelereret, mens andre endda blev bremset. Så, i alt var der kun en moderat gennemsnitlig energitilvækst, og, hvad er vigtigere, en bred energispredning, resulterer i det, vi kalder dårlig strålekvalitet. "For at gøre tingene værre, denne effekt øgede kraftigt emitteringen, et mål for, hvor godt en partikelstråle er bundtet på tværs. Jo strammere, jo bedre - jo mindre udsendelse.

For at forbedre strålekvaliteten, Zhang og hans kolleger byggede en totrins-accelerator fra en multifunktionsenhed, de havde udviklet tidligere:Den segmenterede Terahertz elektronaccelerator og -manipulator (STEAM) kan komprimere, fokus, accelerere og analysere elektronbundter med terahertz -stråling. Forskerne kombinerede to STEAM -enheder på linje. De komprimerede først de indkommende elektronbunter fra cirka 0,3 millimeter i længden til kun 0,1 millimeter. Med den anden STEAM -enhed, de fremskyndede de komprimerede bundter. "Denne ordning kræver kontrol på niveauet af kvadrilliondeler af et sekund, som vi opnåede, "sagde Zhang" Dette førte til en firedobling af energispredningen og forbedrede emissionen seks gange, giver de bedste stråleparametre for en terahertz -accelerator hidtil. "

Netto energitilvæksten for elektronerne, der blev injiceret med en energi på 55 kiloelektron volt (keV) var 70 keV. "Dette er det første energiboost større end 100 procent i en terahertz -drevet accelerator, "understregede Zhang. Den koblede enhed producerede et accelerationsfelt med en spidsstyrke på 200 millioner volt pr. meter (MV/m)-tæt på de nyeste stærkeste konventionelle acceleratorer. Til praktiske anvendelser skal dette stadig forbedres betydeligt . "Vores arbejde viser, at selv en mere end tre gange stærkere komprimering af elektronbundterne er mulig. Sammen med en højere terahertz -energi, accelerationsgradienter i regimet for gigavolt pr. meter virker gennemførlige, "opsummerede Zhang." Terahertz -konceptet fremstår således stadig mere lovende som en realistisk mulighed for design af kompakte elektronacceleratorer. "