Forskare vid DESY har uppnått ett nytt världsrekord för en experimentell typ av miniatyrpartikelaccelerator:För första gången, en terahertz-driven accelerator mer än fördubblade energin hos de injicerade elektronerna. På samma gång, installationen förbättrade elektronstrålekvaliteten avsevärt jämfört med tidigare experiment med tekniken, som Dongfang Zhang och hans kollegor från Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) vid DESY rapporterar i tidskriften Optica . "Vi har uppnått de bästa strålparametrarna hittills för terahertzacceleratorer, " sa Zhang.

"Detta resultat representerar ett avgörande steg framåt för den praktiska implementeringen av terahertz-drivna acceleratorer, " betonade Franz Kärtner, som leder gruppen för ultrasnabb optik och röntgen på DESY. Terahertz-strålning ligger mellan infraröd- och mikrovågsfrekvenser i det elektromagnetiska spektrumet och lovar en ny generation av kompakta partikelacceleratorer. "Våglängden för terahertzstrålning är ungefär hundra gånger kortare än de radiovågor som för närvarande används för att accelerera partiklar, ", förklarade Kärtner. "Detta innebär att komponenterna i acceleratorn också kan byggas för att vara cirka hundra gånger mindre." Terahertz-metoden lovar acceleratorer av labbstorlek som kommer att möjliggöra helt nya applikationer, till exempel som kompakta röntgenkällor för material vetenskap och kanske till och med för medicinsk bildbehandling.Tekniken är för närvarande under utveckling.

Eftersom terahertzvågor svänger så snabbt, varje komponent och varje steg måste synkroniseras exakt. "Till exempel, för att uppnå bästa energivinst, elektronerna måste träffa terahertzfältet exakt under dess accelererande halvcykel, " förklarade Zhang. I acceleratorer, partiklar flyger vanligtvis inte i en kontinuerlig stråle, men är packade i buntar. På grund av det snabbt föränderliga området, i terahertz-acceleratorer måste dessa buntar vara mycket korta för att säkerställa jämna accelerationsförhållanden längs bunten.

"I tidigare experiment var elektronknippen för långa", sa Zhang. "Eftersom terahertzfältet svänger så snabbt, några av elektronerna i gänget accelererades, medan andra till och med saktades ner. Så, totalt var det bara en måttlig genomsnittlig energiökning, och, vad är viktigare, en bred energispridning, vilket resulterar i vad vi kallar dålig strålkvalitet." För att göra saken värre, denna effekt ökade kraftigt emissionen, ett mått på hur väl en partikelstråle är buntad transversellt. Ju tätare, desto bättre – desto mindre utsläpp.

För att förbättra strålkvaliteten, Zhang och hans kollegor byggde en tvåstegsaccelerator från en multifunktionsenhet som de hade utvecklat tidigare:Den segmenterade Terahertz Electron Accelerator and Manipulator (STEAM) kan komprimera, fokus, accelerera och analysera elektronknippen med terahertzstrålning. Forskarna kombinerade två STEAM-enheter i linje. De komprimerade först de inkommande elektronknippen från cirka 0,3 millimeter långa till bara 0,1 millimeter. Med den andra STEAM-enheten, de accelererade de sammanpressade klasarna. "Det här schemat kräver kontroll på nivån av kvadriljondelar av en sekund, som vi uppnådde, " sade Zhang "Detta ledde till en fyrfaldig minskning av energispridningen och förbättrade emissionen sexfaldigt, ger de bästa strålparametrarna för en terahertzaccelerator hittills."

Nettoenergivinsten för elektronerna som injicerades med en energi på 55 kiloelektronvolt (keV) var 70 keV. "Detta är den första energiökningen mer än 100 procent i en terahertz-driven accelerator, " betonade Zhang. Den kopplade enheten producerade ett accelererande fält med en toppstyrka på 200 miljoner volt per meter (MV/m) - nära till toppmoderna starkaste konventionella acceleratorer. För praktiska tillämpningar måste detta fortfarande förbättras avsevärt "Vårt arbete visar att till och med en mer än tre gånger starkare komprimering av elektronknippen är möjlig. Tillsammans med en högre terahertzenergi, accelerationsgradienter i regimen av gigavolt per meter verkar möjliga, " sammanfattade Zhang. "Terahertz-konceptet framstår alltså allt mer lovande som ett realistiskt alternativ för design av kompakta elektronacceleratorer."