Ученые строят крошечный двойной ускоритель частиц, который перерабатывает энергию

Команда ученых DESY создала миниатюрный ускоритель с двумя частицами, который может перерабатывать часть энергии лазера, подаваемой в систему, чтобы во второй раз повысить энергию ускоренных электронов. В устройстве используется узкополосное терагерцовое излучение, которое лежит между инфракрасным и радиочастотным диапазоном электромагнитного спектра, а одна ускорительная трубка имеет длину всего 1,5 сантиметра и диаметр 0,79 миллиметра. Дунфан Чжан и его коллеги из Центра лазерных исследований свободных электронов (CFEL) в DESY представляют свой экспериментальный ускоритель в журнале Physical Review X.

Миниатюрный размер устройства возможен благодаря короткой длине волны терагерцового излучения. “Ускорители на основе терагерца стали перспективными кандидатами на создание компактных источников электронов следующего поколения”, – объясняет Франц Кертнер, ведущий научный сотрудник DESY и глава группы CFEL, создавшей устройство. Ученые ранее успешно экспериментировали с терагерцовыми ускорителями, что могло бы обеспечить применение там, где ускорители крупных частиц просто неосуществимы или не нужны. “Однако эта технология все еще находится на ранней стадии, и производительность экспериментальных терагерцевых ускорителей была ограничена относительно коротким участком взаимодействия между терагерцовым импульсом и электронами”, – говорит Кертнер.

Для нового устройства команда использовала более длинный импульс, состоящий из множества циклов терагерцевых волн. Этот многоцикловый импульс значительно расширяет участок взаимодействия с частицами. “Мы подаем многоцикловый терагерцовый импульс в волновод, покрытый диэлектрическим материалом”, – говорит Чжан. В волноводе скорость импульса уменьшается. Пучок электронов попадает в центральную часть волновода как раз вовремя, чтобы пройти вместе с импульсом. “Эта схема увеличивает область взаимодействия между терагерцовым импульсом и электронным сгустком до сантиметрового диапазона – по сравнению с несколькими миллиметрами в более ранних экспериментах”, – сообщает Чжан.

Устройство не производило большого ускорения в лаборатории. Тем не менее, команда может доказать эту концепцию, показав, что электроны получают энергию в волноводе. “Это доказательство концепции. Энергия электронов увеличилась с 55 до 56,5 килоэлектронвольт”, – говорит Чжан. – “Более сильное ускорение может быть достигнуто с помощью более сильного лазера для генерации терагерцевых импульсов”.

Установка в основном предназначена для нерелятивистского режима, то есть электроны имеют скорости, которые не так близки к скорости света. Интересно, что этот режим позволяет повторно использовать терагерцовый импульс для второй стадии ускорения. “Как только терагерцовый импульс покидает волновод и входит в вакуум, его скорость сбрасывается до скорости света”, – объясняет Чжан. – “Это означает, что импульс обгоняет более медленный сгусток электронов за пару сантиметров. Мы поместили второй волновод на правильное расстояние, на которое электроны попадают в него вместе с терагерцовым импульсом, который снова замедляется волноводом. Таким образом, мы создаем вторую секцию взаимодействия, дополнительно повышая энергию электронов”.

В лабораторном эксперименте только небольшая часть терагерцового импульса могла быть переработана таким образом. Но эксперимент показывает, что рециркуляция в принципе возможна, и Чжан уверен, что переработанная фракция может быть существенно увеличена. Николас Матлис, старший научный сотрудник и руководитель группы проекта в группе CFEL, подчеркивает: “Наша каскадная схема значительно снизит потребность в необходимой лазерной системе для ускорения электронов в нерелятивистском режиме, открывая новые возможности для проектирования ускорители на основе терагерца”.