قام باحثون في الولايات المتحدة بتطوير جهاز جديد يعمل بالليزر يمكنه حصر وتسريع الإلكترونات على مسافات تبلغ حوالي ملليمتر واحد. من خلال الجمع بين التقدم في علم النانو والليزر وتكنولوجيا الفراغ، بايتون برودوس وزملاؤه في جامعة ستانفورد يقولون إنهم طوروا مسرع الليزر العازل الكهربائي الأعلى أداءً حتى الآن.
بالإضافة إلى دفع الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات إلى طاقات حركية عالية، يجب أن يكون المسرع المفيد أيضًا قادرًا على حصر الجسيمات في شعاع ضيق. علاوة على ذلك، يجب أن تكون الحزمة أيضًا قريبة من أحادية الطاقة قدر الإمكان.
في المرافق الحديثة، يتم ذلك عادةً باستخدام تجاويف الترددات الراديوية (RF) المطلية بالنحاس أو مؤخرًا بموصل فائق مثل النيوبيوم. عندما يتم تشغيل هذه التجاويف الرنانة بواسطة إشارات ترددات لاسلكية قوية، فإنها تنتج جهدًا كهربائيًا عاليًا جدًا يعمل على تسريع الجسيمات ذات طاقات محددة جدًا. ومع ذلك، هناك حدود فيزيائية للحد الأقصى لطاقات الجسيمات التي يمكن تحقيقها بهذه الطريقة.
يوضح برودوس: "إن جعل المجالات الكهرومغناطيسية كبيرة جدًا يمكن أن يؤدي إلى تلف جدران [التجويف]، مما يؤدي إلى تدمير الآلة". "يعد هذا حاليًا قيدًا رئيسيًا في جميع المسرعات التقليدية ويحد من تدرج التسارع الآمن إلى عشرات الميجا إلكترون فولت لكل متر." في الواقع، هذا هو السبب الرئيسي وراء استمرار نمو المسرعات وزيادة تكلفتها من أجل تحقيق طاقات أعلى للجسيمات.
تصاميم مسرع بديلة
لإنشاء أجهزة أكثر إحكاما، يستكشف الباحثون في جميع أنحاء العالم مجموعة متنوعة من تقنيات المسرعات البديلة، بهدف تحقيق أعلى تدرج تسارع ممكن على أقصر مسافة.
إحدى التقنيات الواعدة هي DLA، التي تم تصميمها لأول مرة في الخمسينيات. بدلاً من توجيه إشارة التردد اللاسلكي إلى تجويف موصل، يتضمن DLA إطلاق ليزر عبر قناة صغيرة داخل مادة عازلة. يؤدي هذا إلى إنشاء مجال كهربائي متناوب داخل القناة، والذي يعمل بمثابة تجويف رنين. ومن خلال تحسين البنية النانوية للتجويف والتوقيت الدقيق لإرسال الإلكترونات عبر القناة، يتم تسريع الجسيمات.
في حين أن فيزياء هذا الإعداد تشبه إلى حد كبير تصميمات المسرعات التقليدية، إلا أنها توفر تدرجًا تسارعًا أعلى بكثير. ومن الممكن استخدام هذا لتقليص حجم المسرعات ــ على الأقل من حيث المبدأ.
يشرح برودوس: "المجالات التي يمكن لهذه المواد العازلة البقاء عليها من الليزر هي أعلى بأمر أو أمرين من الحجم الذي يمكن للنحاس التعامل معه من موجات التردد الراديوي، وبالتالي، من الناحية النظرية، يمكن أن يكون لها تدرج تسارع أعلى بأمر أو أمرين". ومع ذلك، يشير إلى أن تقليص عرض التجويف بمقدار ستة أضعاف يمثل تحديات، بما في ذلك كيفية إبقاء الإلكترونات محصورة في شعاع، وعدم اصطدامها بجدران التجويف.
والآن، تعامل برودوس وزملاؤه مع هذا التحدي من خلال الاعتماد على ثلاثة تطورات تكنولوجية. هذه هي القدرة على إنشاء هياكل نانوية لأشباه الموصلات دقيقة للغاية؛ القدرة على إنتاج نبضات ليزر الفيمتو ثانية مشرقة ومتماسكة مع معدلات تكرار مستقرة؛ والقدرة على الحفاظ على فراغ فائق الارتفاع داخل تجاويف أشباه الموصلات بطول ملليمتر.
الهياكل النانوية الجديدة والبقول
ومن خلال التصميم الدقيق للبنى النانوية واستخدام نبضات ليزر ذات شكل خاص، تمكن الفريق من إنشاء مجالات كهربائية داخل تجويفهم الجديد الذي يركز الإلكترونات في شعاع.
سمح هذا للفريق بتسريع شعاع محصور من الإلكترونات مسافة 0.708 ملم، مما يعزز طاقته بمقدار 24 كيلو إلكترون فولت. يوضح برودوس: "يمثل هذا زيادة كبيرة في كلا الرقمين من الجدارة مقارنة بالمسرعات السابقة".
مسرع على رقاقة تم إنشاؤه بواسطة خوارزمية التصميم العكسي
واستنادًا إلى إنجازاتهم الأخيرة، فإن الفريق واثق من أن DLAs يمكنها تحسين قدرة الباحثين بشكل كبير على تحقيق طاقات الإلكترون النسبية الفرعية. يوضح برودوس: "يمكن الآن التعامل مع DLA كتقنية تسريع فعلية، حيث يمكننا استخراج معلمات التسريع التقليدية من أجهزتنا والتي يمكن مقارنتها بتقنيات التسريع الأخرى".
وفي المقابل، يمكن لهذه التحسينات أن تمهد الطريق لاكتشافات جديدة في الفيزياء الأساسية، وربما تقدم فوائد جديدة في مجالات تشمل الصناعة والطب.
تم وصف البحث في استعراض للحروف البدنية.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
