約1ミリメートルの距離にわたって電子を閉じ込めて加速できる新しいレーザー駆動装置が米国の研究者によって開発された。ナノサイエンス、レーザー、真空技術の進歩を組み合わせることで、 ペイトン・ブローダスとその仲間たち スタンフォード大学の研究チームは、これまでで最高性能の誘電体レーザー加速器（DLA）を開発したと発表した。
有用な加速器は、電子のような荷電粒子を高い運動エネルギーで駆動するだけでなく、粒子を狭いビーム内に閉じ込めることもできなければなりません。さらに、ビームは可能な限り単一エネルギーに近くなければなりません。
現代の施設では、これは通常、銅、または最近ではニオブなどの超伝導体でコーティングされた高周波 (RF) キャビティを使用して行われます。強力な RF 信号によって駆動されると、これらの共鳴空洞は非常に高い電圧を発生し、粒子を非常に特定のエネルギーで加速します。ただし、この方法で達成できる最大粒子エネルギーには物理的な制限があります。
「電磁場を大きくしすぎると、[キャビティ]壁が損傷し、機械が破損する可能性があります」とブローダス氏は説明します。 「これは現在、すべての従来の加速器における大きな制限であり、安全な加速勾配はメートルあたり数十メガ電子ボルトに制限されています。」実際、これが、より高い粒子エネルギーを達成するために加速器が大型化し、より高価になり続ける主な理由です。
代替の加速器設計
よりコンパクトなデバイスを作成するために、世界中の研究者は、最短距離で可能な限り高い加速勾配を達成することを目標に、さまざまな代替加速器技術を研究しています。
有望なテクノロジーの 1950 つは、XNUMX 年代に初めて考案された DLA です。 DLA では、RF 信号を導電性キャビティに向ける代わりに、誘電体材料内の小さなチャネルを横切ってレーザーを発射します。これにより、チャネル内に交流電場が生成され、共振空洞として機能します。キャビティのナノ構造を最適化し、電子がチャネルを通過するタイミングを注意深く調整することにより、粒子が加速されます。
このセットアップの物理的性質は従来の加速器設計とほぼ同様ですが、非常に高い加速勾配を提供します。これは、少なくとも原理的には、加速器のサイズを縮小するために使用できる可能性があります。
「これらの誘電体がレーザーから耐えられる電界は、銅がRF波から処理できる電界よりも1～2桁大きいため、理論的には1～2桁高い加速勾配を持つことができます」とブロードダス氏は説明する。しかし、同氏は、空洞の幅を6桁縮小すると、電子をビーム内に閉じ込めておく方法や空洞の壁に衝突させないようにする方法などの課題が生じると指摘している。
現在、Broaddus らは 3 つの技術的進歩を利用してこの課題に取り組んでいます。これらは、非常に正確な半導体ナノ構造を作成する能力です。安定した繰り返し率で明るくコヒーレントなフェムト秒レーザーパルスを生成する能力。そして、ミリメートル長の半導体キャビティ内で超高真空を維持する能力。
新しいナノ構造とパルス
ナノ構造を慎重に設計し、特別な形状のレーザーパルスを使用することで、チームは新しい空洞内に電子をビームに集束させる電場を作り出すことができました。
これにより、チームは閉じ込められた電子ビームを0.708 mmの距離まで加速し、そのエネルギーを24 keV高めることができた。 「これは、以前の加速器と比較して、両方の性能指数が桁違いに増加していることを示しています」とブロードス氏は説明します。
逆設計アルゴリズムによって作成されたアクセラレータ・オン・チップ
最新の成果に基づいて、チームは DLA が準相対論的電子エネルギーを達成する研究者の能力を大幅に向上させることができると確信しています。 「DLA は実際のアクセラレータ テクノロジとして扱うことができるようになり、デバイスから従来のアクセラレータ パラメータを抽出したり、他のアクセラレータ テクノロジと比較したりできます」とブロードダス氏は説明します。
さらに、これらの改善は基礎物理学における新たな発見への道を切り開く可能性があり、さらには産業や医学などの分野に新たな利益をもたらす可能性があります。
研究はで説明されています Physical Review Lettersに.
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
