Partikelacceleratorer har stor potential för halvledartillämpningar, medicinsk bildbehandling och terapi samt forskning inom material, energi och medicin. Men konventionella acceleratorer kräver gott om armbågsutrymme – kilometer – vilket gör dem dyra och begränsar deras närvaro till en handfull nationella labb och universitet.
Forskare från University of Texas i Austin, flera nationella laboratorier, europeiska universitet och det Texas-baserade företaget TAU Systems Inc. har demonstrerat en kompakt partikelaccelerator som är mindre än 20 meter lång som producerar en elektronstråle med en energi på 10 miljarder elektronvolt ( 10 GeV). Det finns bara två andra acceleratorer som för närvarande fungerar i USA som kan nå så höga elektronenergier, men båda är cirka 3 kilometer långa.
"Vi kan nu nå de energierna på 10 centimeter", säger Björn "Manuel" Hegelich, docent i fysik vid UT och VD för TAU Systems, med hänvisning till storleken på kammaren där strålen producerades. Han är seniorförfattare på en ny artikel som beskriver deras prestationer i tidskriften Matter and Radiation at Extremes .
Hegelich och hans team undersöker för närvarande användningen av deras accelerator, kallad en avancerad wakefield-laseraccelerator, för en mängd olika ändamål. De hoppas kunna använda den för att testa hur väl rymdbunden elektronik kan motstå strålning, för att avbilda de interna 3D-strukturerna i nya halvledarchipdesigner och till och med för att utveckla nya cancerterapier och avancerade medicinska avbildningstekniker.
Denna typ av accelerator kan också användas för att driva en annan enhet som kallas en röntgenfri elektronlaser, som kan ta slowmotion-filmer av processer på atomär eller molekylär skala. Exempel på sådana processer inkluderar läkemedelsinteraktioner med celler, förändringar inuti batterier som kan få dem att fatta eld, kemiska reaktioner inuti solpaneler och virala proteiner som ändrar form när de infekterar celler.
Konceptet för wakefield-laseracceleratorer beskrevs första gången 1979. En extremt kraftfull laser träffar heliumgas, värmer upp den till ett plasma och skapar vågor som sparkar elektroner från gasen ut i en högenergielektronstråle.
Under de senaste decennierna har olika forskargrupper utvecklat kraftfullare versioner. Hegelich och hans teams nyckelframsteg bygger på nanopartiklar. En hjälplaser träffar en metallplatta inuti gascellen, som injicerar en ström av metallnanopartiklar som ökar energin som levereras till elektroner från vågorna.
Lasern är som en båt som skummar över en sjö och lämnar efter sig ett kölvatten, och elektroner rider på denna plasmavåg som surfare.
"Det är svårt att komma in i en stor våg utan att bli övermannad, så wake-surfare dras in av vattenskoter," sa Hegelich. "I vår accelerator är motsvarigheten till Jet Skis nanopartiklar som släpper ut elektroner vid precis rätt punkt och precis rätt tidpunkt, så de sitter alla där i vågen. Vi får in mycket fler elektroner i vågen när och var vi vill dem att vara, snarare än statistiskt fördelade över hela interaktionen, och det är vår hemliga sås."
För detta experiment använde forskarna en av världens mest kraftfulla pulsade lasrar, Texas Petawatt Laser, som är inrymd på UT och avfyrar en ultraintensiv ljuspuls varje timme.
En enda petawatt-laserpuls innehåller cirka 1 000 gånger den installerade elektriska effekten i USA men varar bara 150 femtosekunder, mindre än en miljarddel så länge som en blixtladdning.
Teamets långsiktiga mål är att driva sitt system med en laser som de håller på att utveckla som passar på en bordsskiva och kan avfyra upprepade gånger i tusentals gånger per sekund, vilket gör hela acceleratorn mycket mer kompakt och användbar i mycket bredare miljöer än konventionella acceleratorer.
Studiens första författare är Constantin Aniculaesei, motsvarande författare nu vid Heinrich Heine University Düsseldorf, Tyskland; och Thanh Ha, doktorand vid UT och forskare vid TAU Systems. Andra UT-fakultetsmedlemmar är professorerna Todd Ditmire och Michael Downer.
Hegelich och Aniculaesei har lämnat in en patentansökan som beskriver enheten och metoden för att generera nanopartiklar i en gascell. TAU Systems, utvunnet ur Hegelichs labb, har en exklusiv licens från universitetet för detta grundläggande patent.
Mer information: Constantin Aniculaesei et al., Accelerationen av ett högladdningselektrongäng till 10 GeV i en 10 cm nanopartikelassisterad wakefieldaccelerator, Materia and Radiation at Extremes (2023). DOI:10.1063/5.0161687
Tillhandahålls av University of Texas i Austin
