Forskere skaber kompakte partikelacceleratorer, der driver elektronstråler tættere på lysets hastighed

Forskere har med succes udviklet en partikelaccelerator i lommestørrelse, der er i stand til at projektere ultrakorte elektronstråler med laserlys ved mere end 99,99% af lysets hastighed.

For at opnå dette resultat, forskerne har været nødt til at bremse lyset for at matche elektronernes hastighed ved hjælp af en specialdesignet metallisk struktur foret med kvartslag tyndere end et menneskehår.

Dette enorme spring fremad giver samtidig mulighed for både at måle og manipulere partikelbundter på tidsskalaer på mindre end 10 femtosekunder (0,000,000 000 000 000 01 sekunder, eller tiden tager lys at rejse 1/100 af en millimeter). Dette vil gøre dem i stand til at oprette stroboskopfotografier af atomær bevægelse.

Denne vellykkede demonstration baner vejen til udviklingen af ​​højenergi, høj opladning, højkvalitets Terahertz (THz) drevne acceleratorer, som lover at være billigere og mere kompakte. Reducering af acceleratorteknologiens størrelse og omkostninger, vil åbne op for disse utrolige maskiner til en meget bredere vifte af applikationer.

Partikelacceleratorer er udbredt med anvendelser inden for grundforskning inden for partikelfysik, materialebeskrivelse, strålebehandling på hospitaler, hvor de bruges til behandling af kræftpatienter, radioisotopproduktion til medicinsk billeddannelse, og sikkerhedsscreening af last. Den grundlæggende teknologi (radiofrekvensoscillatorer), der ligger til grund for disse maskiner, blev udviklet til radar under Anden Verdenskrig.

I ny forskning offentliggjort i dag i Natur fotonik , et samarbejde af akademikere viser, at deres unikke løsning er at bruge lasere til at generere terahertz frekvenspulser af lys. Terahertz er en region i det elektromagnetiske spektrum mellem infrarød (bruges i fjernsyn fjernbetjeninger) og mikrobølge (bruges i mikrobølgeovne). Lasergenereret THz-stråling eksisterer i det ideelle millimeterskala bølgelængderegime, gør strukturfabrikation enklere, men vigtigst af alt giver de halvcykluslængder, der er velegnede til acceleration af hele elektronbundter med høje ladningsniveauer.

Hovedforfatter på papiret Dr. Morgan Hibberd fra University of Manchester sagde:"Hovedudfordringen var at matche hastigheden af ​​det accelererende THz-felt til den næsten hastighed-af-lys-elektronstrålehastighed, samtidig med at den iboende lavere hastighed af THz -pulshylsteret, der formerer sig gennem vores accelerationsstruktur, forhindres væsentligt i at nedbryde længden, over hvilken drivfeltet og elektronerne interagerer. "

"Vi overvandt dette problem ved at udvikle en unik THz -kilde, der producerede længere pulser, der kun indeholdt et snævert frekvensområde, øger interaktionen markant. Vores næste milepæl er at demonstrere endnu højere energigevinster og samtidig opretholde strålekvaliteten. Vi forventer, at dette vil blive realiseret gennem forbedringer for at øge vores THz kildeenergi, som allerede er i gang. "

Professor Steven Jamison fra Lancaster University, der i fællesskab leder programmet, forklarede:"Den kontrollerede acceleration af relativistiske stråler med terahertz-laser-lignende pulser er en milepæl i udviklingen af ​​en ny tilgang til partikelacceleratorer. Ved anvendelse af elektromagnetiske frekvenser over hundrede gange højere end i konventionelle partikelacceleratorer, en revolutionær fremgang i kontrollen med partikelstrålerne på femtosekunders tidsskalaer bliver mulig. "

"Med vores demonstration af terahertz -acceleration af partikler, der kører med 99,99% af lysets hastighed, vi har bekræftet en vej til skalering af terahertz -acceleration til stærkt relativistiske energier. "

Mens forskerne har øje for deres koncepters langsigtede rolle i udskiftningen af ​​forskningsacceleratorer på flere kilometer (f.eks. Europas 3 km lange røntgenkilde i Hamborg) med enheder, der kun er meter lange, de forventer, at de umiddelbare virkninger vil være inden for radioterapi og materialekarakterisering.

Dr. Darren Graham, Universitetslektor i fysik ved University of Manchester sagde:"At nå denne milepæl ville ikke have været mulig uden det unikke samarbejdsmiljø fra Cockcroft Institute, som har været med til at samle forskere og ingeniører fra University of Lancaster, University of Manchester og personalet fra STFC på Daresbury Laboratory. "