Fizikçiler parçacık hızlandırıcılarını küçültüyor

Prototip ultra kompakt terahertz hızlandırıcılarının uygulanabilirliğini göstermektedir

Bir yandan kolayca uyuyor: Terahertz tabanlı yeni hızlandırıcı modülünün prototipi © DESY / Heiner Müller-Elsner
Yüksek sesle okuma

Küçük ama güçlü: Fizikçiler, 1, 5 cm'lik bir parçacık hızlandırıcının ilk prototipini tasarladılar. Modül, terahertz radyasyon kullanarak elektronları hızlandırır ve geleneksel senkrotron modüllerinden yaklaşık 100 kat daha küçüktür. Bu tür ultra kompakt hızlandırıcılar, araştırmacıların "Nature Communications" dergisinde yayınladığı gibi, materyal araştırması, tıp ve parçacık fiziği ile X-ışını lazerlerinde uygulamalar için gelecekte kullanılabilir.

Parçacık hızlandırıcıları, günümüzde sadece çarpışmalardaki maddenin temel yapı taşlarını keşfetmek için gerekli değildir. Ayrıca yüksek enerjili X-ışını ve elektron ışınlarının üretilmesinde hızlandırıcılara ihtiyaç vardır. Örneğin, serbest elektron lazerleri (FEL'ler), bir parçacık hızlandırıcısından bir slalom rotasına hızlı elektronlar göndererek lazer flaşları üretir. Her eğride, elektronlar daha sonra ışık yayar - lazer flaşı.

Radyo dalgaları yerine Terahertz

Genellikle bu tür parçacık hızlandırıcılarında, yüksek frekanstaki radyo dalgaları aralığında elektromanyetik radyasyon kullanılır, Deutsches Elektronen-Synchrotron'daki PETRA III hızlandırıcısında bu değer örneğin 500 megahertz'dir. Dezavantaj: Bu sistemler çok büyük, Avrupa X-ışını lazeri XFEL söz konusu olduğunda üç kilometre.

Ancak, Massachusetts Institute of Technology'den Emilio Nanni ve (MIT) meslektaşlarının şimdi kanıtladığı gibi, daha da küçük. Terahertz radyasyonu ile çalışan bir parçacık hızlandırıcısının prototipini geliştirdiler. Dalga boyları kızılötesi ışığın ve mikrodalgaların arasındadır ve bu nedenle önceki senkrotronların radyo dalgalarından yaklaşık bin kat daha kısadır. MIT'den kıdemli yazar Franz Kärtner, “Avantaj: Her şey bin kat daha küçük” diyor.

Elektronların geleneksel bir senkrotrondaki ivmelenmesi çok daha büyük modüller gerektirir. Burada gösterilen Avrupa Serbest Elektron Lazer XFEL'in bir rezonatörüdür. DESY

Sadece bir santimetre uzunluğunda

Prototipleri için, araştırmacılar yaklaşık bir buçuk santimetre uzunluğunda bir tüp şeklinde bir mikro-yapılandırılmış hızlandırıcı modülü kullandılar. Bu, bir dalga kılavuzu olarak işlev görür ve enjekte edilen elektronları dikte eder, böylece terahertz radyasyon ile elektronların dalgalar tarafından optimum şekilde hızlandırılması sağlanır. Elektronlar besleme sırasında 60 kilo-elektron voltaja sahipti, darbeli terahertz radyasyonu özel bir lazerden geldi. ekran

Ve gerçekten: Bir terahertz hızlandırıcısının bu ilk prototipinde parçacıkların enerjisi yedi kilo-elektron volt (keV) arttı. Hamburg'daki Alman Electron Synchrotron'dan (DESY) ortak yazar Arya Fallahi, "Bu hızlanma henüz çok güçlü değil, ancak deney, bu ilkenin pratikte işe yaradığını kanıtlıyor." Araştırmacılara göre, birkaç modülü birbiriyle birleştirmek, metre başına bir gigavolt'a kadar hızlanma sağlayabilir.

"İki dünyanın da en iyisi"

Bu, bugün en iyi konvansiyonel hızlandırıcı modüllerin elde ettiği değerin on katından fazladır. Daha da büyük bir hızlanma ancak hala deneysel plazma hızlandırıcıları ile sağlanabilir. Bunlar ayrıca geleneksel devlerden çok daha küçüktür, ancak, terahertz hızlandırıcılardan daha fazla çalışması için çok daha büyük lazerler gerektirir.

Nanni ve meslektaşlarına “Terahertz radyasyonu bize her iki dünyanın da en iyisini sunuyor” diyor. Bir yandan, dalga boyu, dalga kılavuzlarının geleneksel makinelerle üretilebileceği kadar uzundur. Öte yandan, frekans metre başına gigavolt'ta ivmelenecek kadar yüksektir. ”

Fizikten tıpa uygulamalar

Terahertz bazlı yeni mini hızlandırıcılar birkaç alanda kullanılabilir. "Son derece kısa elektron darbeli bu ultra kompakt hızlandırıcılar büyük bir potansiyele sahiptir ve serbest elektron lazerleri, doğrusal hızlandırıcılar, elektron kırınımı için cihazlar, X-ışını kaynakları ve X-ışınları ve elektron ışınları ile tıbbi tedaviyi dönüştürebilir." Nanni ve meslektaşları diyor.

Gelecek yıllarda, DESY'deki fizikçiler, ilk terahertz tabanlı kompakt serbest elektronlu X-ışını lazerini (XFEL) oluşturmak istiyorlar. K rtner, “Böyle bir cihazdan, bir femtosaniyeden daha az miktarda daha kısa X-ışını darbeleri bekliyoruz” diyor. “Fotosentez gibi son derece hızlı kimyasal işlemlerle ilgili yeni bilgiler edinmeyi umuyoruz.” Fakat aynı zamanda başarılı olmak için kimyasal bağların ve serbest moleküllerin oluşumunun daha doğru resimleri.

Kompakt X-ışını lazeri, büyük sistemlerde darbeleri tetiklemek ve böylece optik kalitelerini artırmak için de kullanılabilir. Ek olarak, bazı tıbbi görüntüleme teknikleri yeni X-ışını kaynağının geliştirilmiş özelliklerinden faydalanabilir. (Nature Communications, 2015; doi: 10.1038 / ncomms9486)

(Alman Elektron Senkrotron DESY, 07.10.2015 - NPO)