Một thiết bị điều khiển bằng laser mới có thể vừa giam cầm vừa tăng tốc các electron trên khoảng cách khoảng một milimet vừa được các nhà nghiên cứu ở Mỹ phát triển. Bằng cách kết hợp những tiến bộ trong khoa học nano, laser và công nghệ chân không, Payton Broaddus và cộng sự tại Đại học Stanford cho biết họ đã phát triển máy gia tốc laser điện môi (DLA) hiệu suất cao nhất cho đến nay.

Cùng với việc điều khiển các hạt tích điện như electron đạt động năng cao, một máy gia tốc hữu ích còn phải có khả năng giam giữ các hạt thành một chùm tia hẹp. Hơn nữa, chùm tia cũng phải càng gần đơn năng càng tốt.

Trong các cơ sở hiện đại, điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các khoang tần số vô tuyến (RF) được phủ bằng đồng hoặc gần đây hơn là bằng chất siêu dẫn như niobi. Khi được điều khiển bởi các tín hiệu RF mạnh, các hộp cộng hưởng này phát triển điện áp rất cao làm tăng tốc các hạt với năng lượng rất đặc biệt. Tuy nhiên, có những giới hạn vật lý đối với năng lượng hạt tối đa có thể đạt được theo cách này.

Broaddus giải thích: “Việc tạo ra trường điện từ quá lớn có thể dẫn đến hư hỏng các bức tường [khoang], làm hỏng máy. “Đây hiện là hạn chế lớn trong tất cả các máy gia tốc thông thường và giới hạn độ dốc gia tốc an toàn ở mức hàng chục megaelectronvolt trên mét.” Thật vậy, đây là lý do chính tại sao các máy gia tốc ngày càng lớn hơn và đắt tiền hơn để đạt được năng lượng hạt cao hơn.

Thiết kế máy gia tốc thay thế

Để tạo ra các thiết bị nhỏ gọn hơn, các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang khám phá nhiều công nghệ máy gia tốc thay thế khác nhau, với mục tiêu đạt được độ dốc gia tốc cao nhất có thể trên khoảng cách ngắn nhất.

Một công nghệ đầy hứa hẹn là DLA, được hình thành lần đầu tiên vào những năm 1950. Thay vì hướng tín hiệu RF vào khoang dẫn điện, DLA liên quan đến việc bắn tia laser qua một kênh nhỏ bên trong vật liệu điện môi. Điều này tạo ra một điện trường xen kẽ trong kênh, hoạt động như một khoang cộng hưởng. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc nano của khoang và tính toán thời điểm cẩn thận khi các electron được gửi qua kênh, các hạt được gia tốc.

Mặc dù cơ chế vật lý của thiết lập này nhìn chung giống với các thiết kế máy gia tốc thông thường hơn, nhưng nó mang lại độ dốc gia tốc cao hơn rất nhiều. Điều này có thể được sử dụng để thu nhỏ kích thước của máy gia tốc – ít nhất là về nguyên tắc.

Broaddus giải thích: “Trường mà các chất điện môi này có thể tồn tại từ tia laser cao hơn từ một đến hai bậc độ lớn so với những gì đồng có thể xử lý từ sóng RF, và do đó, về mặt lý thuyết, có thể có gradient gia tốc cao hơn từ một đến hai bậc cường độ”. Tuy nhiên, ông chỉ ra rằng việc thu nhỏ chiều rộng của hộp cộng hưởng xuống sáu bậc độ lớn sẽ đặt ra những thách thức – bao gồm làm thế nào để giữ các electron bị giới hạn trong một chùm tia, và không để chúng đâm vào thành hộp cộng hưởng.

Giờ đây, Broaddus và các đồng nghiệp đã giải quyết thách thức này bằng cách dựa trên ba tiến bộ công nghệ. Đó là khả năng tạo ra các cấu trúc nano bán dẫn rất chính xác; khả năng tạo ra các xung laser femto giây sáng, kết hợp với tốc độ lặp lại ổn định; và khả năng duy trì độ chân không cực cao trong các khoang bán dẫn có chiều dài milimet.

Cấu trúc và xung nano mới

Bằng cách thiết kế cẩn thận các cấu trúc nano và sử dụng các xung laser có hình dạng đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra điện trường bên trong khoang mới của chúng để tập trung các electron thành chùm tia.

Điều này cho phép đội nghiên cứu gia tốc một chùm electron giới hạn đi một khoảng 0.708 mm, tăng năng lượng của nó thêm 24 keV. Broaddus giải thích: “Điều này thể hiện mức tăng cường độ cả về giá trị so với các máy gia tốc trước đó”.

Dựa trên thành tựu mới nhất của họ, nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng DLA có thể cải thiện đáng kể khả năng của các nhà nghiên cứu trong việc đạt được năng lượng điện tử dưới mức tương đối tính. Broaddus giải thích: “DLA hiện có thể được coi như một công nghệ máy gia tốc thực tế, nơi chúng tôi có thể trích xuất các thông số máy gia tốc truyền thống từ thiết bị của mình và có thể so sánh với các công nghệ máy gia tốc khác”.

Đổi lại, những cải tiến này có thể mở đường cho những khám phá mới trong vật lý cơ bản và thậm chí có thể mang lại những lợi ích mới trong các lĩnh vực bao gồm công nghiệp và y học.

Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/