Создан компактный двойной ускоритель на основе терагерца

Команда ученых DESY создала миниатюрный ускоритель частиц, 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 CFEL в DESY представили 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 электронных источников 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 большие ускорители частиц неосуществимы или просто 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 ученые использовали 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», — говорят ученые. В волноводе скорость импульса уменьшается. Пучок электронов попадает в центральную часть волновода как раз вовремя, чтобы пройти вместе с импульсом. Такая схема увеличивает область взаимодействия между терагерцовым импульсом и электронным сгустком до сантиметрового диапазона — по сравнению с несколькими миллиметрами в более ранних экспериментах.

Устройство не производило большого ускорения в лаборатории. Тем не менее, исследователи могут доказать свою концепцию, показав, что электроны получают энергию в волноводе. «Это подтверждение концепции. Энергия электронов увеличилась с 55 до 56,5 килоэлектронвольт», — говорят они. «Более мощное ускорение может быть достигнуто при использовании более мощного лазера для генерации терагерцевых импульсов».

Установка в основном рассчитана на нерелятивистский режим, то есть электроны имеют скорости, которые меньше скорости света. Интересно, что этот режим позволяет повторно использовать терагерцовый импульс для второй ступени ускорения.

«Как только терагерцовый импульс покидает волновод и входит в вакуум, его скорость восстанавливается до скорости света», — объясняет Дунфан Чжан. — Это значит, что импульс обгоняет более медленный пучок электронов на пару сантиметров. Мы поместили второй волновод как раз на такое расстояние, чтобы электроны входили в него вместе с терагерцовым импульсом, который снова замедляется волноводом. Таким образом, мы создаем вторую секцию взаимодействия, повышая энергию электронов еще больше.»

В лабораторном эксперименте только небольшая часть терагерцового импульса могла быть использована таким образом. Но эксперимент показывает, что рециклинг возможен в принципе, и ученые уверены, что повторное использование можно существенно увеличить.

Николас Маттлис, старший научный сотрудник и руководитель проекта в группе CFEL, подчеркивает: «Наша каскадная схема значительно снизит спрос на необходимую лазерную систему для ускорения электронов в нерелятивистском режиме, открывая новые возможности для проектирования ускорителей на основе терагерцовых частот.»

Dongfang Zhang et al, Cascaded Multicycle Terahertz-Driven Ultrafast Electron Acceleration and Manipulation, Physical Review X (2020). DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011067