Исследователи из США разработали новое устройство с лазерным приводом, которое может как удерживать, так и ускорять электроны на расстоянии около миллиметра. Объединив достижения в области нанонауки, лазеров и вакуумных технологий, Пэйтон Броддус и коллеги в Стэнфордском университете говорят, что они разработали самый эффективный на сегодняшний день диэлектрический лазерный ускоритель (DLA).
Полезный ускоритель должен не только доводить заряженные частицы, такие как электроны, до высоких кинетических энергий, но и уметь удерживать частицы в узкий луч. Кроме того, пучок также должен быть максимально приближен к моноэнергетическому.
В современных установках это обычно делается с использованием радиочастотных (РЧ) резонаторов, покрытых медью или, в последнее время, сверхпроводником, например ниобием. Под воздействием мощных радиочастотных сигналов эти резонансные полости создают очень высокие напряжения, которые ускоряют частицы на очень определенные энергии. Однако существуют физические ограничения на максимальную энергию частиц, которых можно достичь таким способом.
«Слишком большие электромагнитные поля могут привести к повреждению стенок [полости], что приведет к поломке машины», — объясняет Броддус. «В настоящее время это является основным ограничением для всех традиционных ускорителей и ограничивает безопасный градиент ускорения десятками мегаэлектронвольт на метр». Действительно, это основная причина, по которой ускорители продолжают становиться больше и дороже, чтобы достичь более высоких энергий частиц.
Альтернативные конструкции ускорителей
Чтобы создать более компактные устройства, исследователи во всем мире изучают различные альтернативные технологии ускорителей с целью достижения максимально возможного градиента ускорения на кратчайшем расстоянии.
Одной из многообещающих технологий является DLA, которая была впервые разработана в 1950-х годах. Вместо того, чтобы направлять радиочастотный сигнал на проводящий резонатор, DLA включает в себя запуск лазера через крошечный канал внутри диэлектрического материала. Это создает переменное электрическое поле внутри канала, который действует как резонансная полость. За счет оптимизации наноструктуры полости и тщательного выбора момента прохождения электронов через канал частицы ускоряются.
Хотя физика этой установки во многом аналогична более традиционным конструкциям ускорителей, она обеспечивает гораздо более высокий градиент ускорения. Это можно было бы использовать для уменьшения размеров ускорителей – по крайней мере, в принципе.
«Поля, которые эти диэлектрики могут выдержать от лазеров, на один-два порядка выше, чем те, которые медь может выдерживать от радиочастотных волн, и, таким образом, теоретически они могут иметь градиент ускорения на один-два порядка выше», — объясняет Броддус. Однако он отмечает, что уменьшение ширины полости на шесть порядков создает проблемы, в том числе вопрос о том, как удержать электроны в пучке и не допустить их столкновения со стенками полости.
Теперь Броддус и его коллеги решили эту проблему, используя три технологических достижения. Это способность создавать очень точные полупроводниковые наноструктуры; способность генерировать яркие когерентные фемтосекундные лазерные импульсы со стабильной частотой повторения; и способность поддерживать сверхвысокий вакуум в полупроводниковых полостях миллиметровой длины.
Новые наноструктуры и импульсы
Благодаря тщательному проектированию наноструктур и использованию лазерных импульсов особой формы команда смогла создать внутри новой полости электрические поля, которые фокусируют электроны в луч.
Это позволило команде ускорить ограниченный пучок электронов на расстояние 0.708 мм, увеличив его энергию на 24 кэВ. «Это на порядок увеличивает оба показателя эффективности по сравнению с предыдущими ускорителями», — объясняет Броддус.
Ускоритель на кристалле, созданный с помощью алгоритма обратного проектирования
Основываясь на своих последних достижениях, команда уверена, что DLA может значительно улучшить способность исследователей достигать субрелятивистских энергий электронов. «Теперь DLA можно рассматривать как настоящую ускорительную технологию, с помощью которой мы можем извлекать традиционные параметры ускорителя из наших устройств и которую можно сравнивать с другими ускорительными технологиями», — объясняет Броддус.
В свою очередь, эти улучшения могут проложить путь к новым открытиям в фундаментальной физике и даже предложить новые преимущества в таких областях, как промышленность и медицина.
Исследование описано в Physical Review Letters,.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
