Fiziki skrčijo pospeševalnik delcev: Prototip dokazuje izvedljivost gradnje terahertzovih pospeševalnikov | 2020

Vsebina:

Anonim

V elektromagnetnem spektru leži terahercno sevanje med infrardečim sevanjem in mikrovalovi. Pospeševalniki delcev se običajno zanašajo na elektromagnetno sevanje iz radiofrekvenčnega območja; DESY-jev pospeševalnik delcev PETRA III, na primer, uporablja frekvenco okoli 500 megahertzov. Valovna dolžina terahercnega sevanja, ki se uporablja v tem poskusu, je približno tisočkrat krajša. "Prednost je v tem, da je vse ostalo lahko tudi tisočkrat manjše," pojasnjuje Kärtner, ki je tudi profesor na Univerzi v Hamburgu in na MIT-u, ter je član Hamburškega centra za ultra hitro slikanje (CUI), eden od nemških grozdov odličnosti.

Za svoj prototip so znanstveniki uporabili poseben mikrostrukturirani modul pospeševalnika, posebej prilagojen za terahercno sevanje. Fiziki so v miniaturni pospeševalni modul uporabili hitre elektrone s pomočjo elektronske pištole, ki jo je zagotovila skupina CFEL profesorja Dwayne Miller, direktorja na Inštitutu Max Planck za strukturo in dinamiko zadeve, in tudi član CUI. Elektroni so nato še pospešili s terahertznim sevanjem v modul. Ta prvi prototip terahercnega pospeševalnika je lahko povečal energijo delcev za sedem kiloelektronvoltov (keV).

"To ni posebej velik pospešek, vendar eksperiment dokazuje, da načelo deluje v praksi," pojasnjuje soavtorica Arya Fallahi iz CFEL, ki je opravil teoretične izračune. "Teorija kaže, da bi morali biti sposobni doseči pospešen gradient do enega gigavolta na meter." To je več kot desetkrat več, kot je mogoče doseči z najboljšimi običajnimi moduli za pospeševanje, ki so na voljo danes. Tehnologija plazemskega pospeševalnika, ki je prav tako trenutno v poskusni fazi, obljublja, da bo ustvarila še večje pospeške, vendar pa zahteva tudi bistveno močnejše laserje od tistih, ki so potrebni za terahertne pospeševalnike.

Fiziki poudarjajo, da je terahertska tehnologija zelo zanimiva tako za bodoče linearne pospeševalnike, ki se uporabljajo v fiziki delcev, kot za gradnjo kompaktnih rentgenskih laserjev in elektronskih virov za uporabo v raziskavah materialov, kot tudi medicinske aplikacije z uporabo X - žarki in sevanje elektronov. "Hiter napredek, ki ga vidimo v terahertzovi generaciji z optičnimi metodami, bo omogočil prihodnji razvoj terahertzovih pospeševalnikov za te aplikacije," pravi prvi avtor Emilio Nanni iz MIT. Skupina CFEL v Hamburgu v prihodnjih letih načrtuje izgradnjo kompaktnega eksperimentalnega rentgenskega laserskega spektra (XFEL) v laboratoriju z uporabo terahertske tehnologije. Ta projekt je podprt s podporo za sinergijo Evropskega raziskovalnega sveta.

Tako imenovani svobodni elektronski laserji (FEL) ustvarjajo utripanje laserske svetlobe s pošiljanjem elektronov visoke hitrosti iz pospeševalnika delcev po valoviti poti, pri čemer ti oddajajo svetlobo vsakič, ko se odbijejo. To je isto načelo, ki ga bo uporabil evropski XFEL z rentgenskim laserjem, ki ga trenutno gradi mednarodni konzorcij, ki sega od kampusa DESY v Hamburgu do sosednjega mesta Schenefeld v Schleswig-Holsteinu. Celoten objekt bo dolg več kot tri kilometre.

Pričakuje se, da bo eksperimentalni XFEL z uporabo terahertske tehnologije manjši od enega metra. "Pričakujemo, da bo takšna naprava proizvajala veliko krajše rentgenske pulze, ki bodo trajali manj kot femtosekundna," pravi Kärtner. Ker so impulzi tako kratki, dosegajo primerljivo svetlost vrhov kot pri večjih objektih, tudi če je v vsakem pulzu bistveno manj svetlobe. "S temi zelo kratkimi impulzi upamo, da bomo pridobili nove poglede na izjemno hitre kemijske procese, kot so tisti, ki sodelujejo pri fotosintezi."

Razvijanje podrobnega razumevanja fotosinteze bi odprlo možnost umetnega izvajanja tega učinkovitega procesa in s tem izkoriščanja vedno učinkovitejše pretvorbe sončne energije in novih poti za zmanjšanje CO2. Poleg tega so raziskovalci zainteresirani za številne druge kemijske reakcije. Kot poudarja Kärtner, je "fotosinteza le en primer mnogih možnih katalitičnih procesov, ki jih želimo raziskati." Kompaktni XFEL se lahko potencialno uporabi tudi za sejanje stročnic v velikih objektih, da se izboljša kakovost njihovih impulzov. Nekatere medicinske tehnike slikanja bi lahko imele koristi od izboljšanih značilnosti novega vira rentgenskih žarkov.