Lille dobbelt accelerator genbruger energi

Et hold af DESY-forskere har bygget en miniature-dobbelt-partikelaccelerator, der kan genbruge noget af laserenergien, der tilføres systemet, for at øge energien fra de accelererede elektroner en anden gang. Enheden bruger smalbåndet terahertz-stråling, som ligger mellem infrarøde og radiofrekvenser i det elektromagnetiske spektrum, og et enkelt accelerationsrør er kun 1,5 centimeter langt og 0,79 millimeter i diameter. Dongfang Zhang og hans kolleger fra Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) på DESY præsenterer deres eksperimentelle accelerator i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

Enhedens miniaturestørrelse er mulig på grund af den korte bølgelængde af terahertz-stråling. "Terahertz-baserede acceleratorer er dukket op som lovende kandidater til næste generations kompakte elektronkilder, " forklarer Franz Kärtner, Lead Scientist hos DESY og leder af CFEL-gruppen, der byggede enheden. Forskere har med succes eksperimenteret med terahertz-acceleratorer før, som kunne muliggøre applikationer, hvor store partikelacceleratorer bare ikke er gennemførlige eller nødvendige. "Imidlertid, teknikken er stadig i et tidligt stadie, og ydelsen af ​​eksperimentelle terahertz -acceleratorer har været begrænset af den relativt korte sektion af interaktion mellem terahertz -pulsen og elektronerne, " siger Kärtner.

For den nye enhed, holdet brugte en længere puls bestående af mange cyklusser af terahertz-bølger. Denne multicyklusimpuls udvider interaktionssektionen med partiklerne betydeligt. "Vi føder multicyklus-terahertz-pulsen ind i en bølgeleder, der er foret med et dielektrisk materiale", siger Zhang. Inden for bølgelederen, pulsens hastighed reduceres. En flok elektroner bliver skudt ind i den centrale del af bølgelederen lige i tide til at rejse sammen med pulsen. "Dette skema øger interaktionsområdet mellem terahertz-impulsen og elektronbundtet til centimeterområdet - sammenlignet med et par millimeter i tidligere eksperimenter, " rapporterer Zhang.

Enheden producerede ikke en stor acceleration i laboratoriet. Imidlertid, teamet kunne bevise konceptet ved at vise, at elektronerne får energi i bølgelederen. "Det er et proof of concept. Elektronernes energi steg fra 55 til omkring 56,5 kilo elektronvolt, " siger Zhang. "En stærkere acceleration kan opnås ved at bruge en stærkere laser til at generere terahertz-impulserne."

Opsætningen er hovedsageligt designet til det ikke-relativistiske regime, hvilket betyder, at elektronerne har hastigheder, der ikke er så tæt på lysets hastighed. Interessant nok, dette regime muliggør en genanvendelse af terahertz -pulsen til et andet trin i accelerationen. "Når terahertz-pulsen forlader bølgelederen og kommer ind i vakuumet, dens hastighed er nulstillet til lysets hastighed, " forklarer Zhang. "Dette betyder, pulsen overhaler det langsommere elektronbundt på et par centimeter. Vi placerede en anden bølgeleder på den helt rigtige afstand, hvor elektronerne kom ind i den sammen med terahertz -pulsen, som igen sænkes af bølgelederen. På denne måde vi genererer en anden interaktionssektion, øger elektronernes energi yderligere."

I laboratorieeksperimentet kun en lille del af terahertz-pulsen kunne genbruges på denne måde. Men forsøget viser, at genbrug i princippet er muligt, og Zhang er overbevist om, at den genanvendte fraktion kan øges væsentligt. Nicholas Mattlis, seniorforsker og teamleder for projektet i CFEL -gruppen, understreger:"Vores kaskadeordning vil i høj grad sænke efterspørgslen på det nødvendige lasersystem til elektronacceleration i det ikke-relativistiske regime, åbner nye muligheder for design af terahertz-baserede acceleratorer. "