Ett team av DESY -forskare har byggt en miniatyraccelerator med dubbla partiklar som kan återvinna en del av laserenergin som matas in i systemet för att öka energin hos de accelererade elektronerna en andra gång. Enheten använder smalbandig terahertz -strålning som ligger mellan infraröda och radiofrekvenser i det elektromagnetiska spektrumet, och ett enda accelerationsrör är bara 1,5 centimeter långt och 0,79 millimeter i diameter. Dongfang Zhang och hans kollegor från Center for Free-Electron laser Science (CFEL) på DESY presenterar sin experimentella accelerator i tidskriften Fysisk granskning X .

Enhetens miniatyrstorlek är möjlig på grund av terahertzstrålningens korta våglängd. "Terahertz-baserade acceleratorer har framstått som lovande kandidater för nästa generations kompakta elektronkällor, "förklarar Franz Kärtner, Lead Scientist på DESY och chef för CFEL -gruppen som byggde enheten. Forskare har framgångsrikt experimenterat med terahertz -acceleratorer tidigare, vilket kan möjliggöra applikationer där stora partikelacceleratorer bara inte är genomförbara eller nödvändiga. "Dock, tekniken är fortfarande i ett tidigt skede, och prestanda för experimentella terahertzacceleratorer har begränsats av den relativt korta interaktionsdelen mellan terahertzpulsen och elektronerna, säger Kärtner.

För den nya enheten, laget använde en längre puls som omfattade många cykler av terahertzvågor. Denna flercykelpuls förlänger signifikant interaktionsdelen med partiklarna. "Vi matar multicykel -terahertz -pulsen in i en vågledare som är fodrad med ett dielektriskt material", säger Zhang. Inom vågledaren, pulsen sänks. Ett gäng elektroner skjuts in i den centrala delen av vågledaren precis i tid för att resa tillsammans med pulsen. "Detta schema ökar interaktionsområdet mellan terahertz -pulsen och elektrongruppen till centimeterområdet - jämfört med några millimeter i tidigare experiment, "rapporterar Zhang.

Enheten producerade inte en stor acceleration i labbet. Dock, laget kunde bevisa konceptet genom att visa att elektronerna får energi i vågledaren. "Det är ett bevis på konceptet. Elektronernas energi ökade från 55 till cirka 56,5 kilo elektronvolt, "säger Zhang." En starkare acceleration kan uppnås genom att använda en starkare laser för att generera terahertz -pulserna. "

Upplägget är huvudsakligen utformat för den icke-relativistiska regimen, vilket betyder att elektronerna har hastigheter som inte är så nära ljusets hastighet. Intressant, denna regim möjliggör återvinning av terahertz -pulsen för ett andra accelerationssteg. "När terahertz -pulsen lämnar vågledaren och kommer in i vakuumet, dess hastighet återställs till ljusets hastighet, "förklarar Zhang." Det betyder, pulsen går över det långsammare elektrongänget på ett par centimeter. Vi placerade en andra vågledare på precis rätt avstånd som elektronerna kommer in i den tillsammans med terahertz -pulsen som återigen bromsas av vågledaren. På det här sättet, vi genererar ett andra interaktionsavsnitt, öka elektronernas energier ytterligare. "

I laboratorieexperimentet, bara en liten del av terahertz -pulsen kunde återvinnas på detta sätt. Men experimentet visar att återvinning i princip är möjlig, och Zhang är övertygad om att den återvunna fraktionen kan ökas väsentligt. Nicholas Mattlis, senior forskare och teamledare för projektet i CFEL -gruppen, betonar:"Vårt kaskadschema kommer att kraftigt sänka kravet på det erforderliga lasersystemet för elektronacceleration i den icke-relativistiska regimen, öppna nya möjligheter för design av terahertz-baserade acceleratorer. "