Los científicos de DESY han logrado un nuevo récord mundial para un tipo experimental de acelerador de partículas en miniatura: por primera vez, un acelerador accionado por terahercios más que duplicó la energía de los electrones inyectados. Al mismo tiempo, la configuración mejoró significativamente el electróncalidad del haz en comparación con experimentos anteriores con la técnica, como Dongfang Zhang y sus colegas del Centro para la Ciencia del Láser Libre de Electrones CFEL en el informe DESY en la revista óptica . "Hemos logrado los mejores parámetros de haz hasta ahora para los aceleradores de terahercios", dijo Zhang.
"Este resultado representa un paso crítico hacia adelante para la implementación práctica de aceleradores alimentados por terahercios", enfatizó Franz Kärtner, quien dirige el grupo de rayos X y óptica ultrarrápida en DESY. La radiación de Terahercios se encuentra entre las frecuencias infrarroja y de microondas en el espectro electromagnéticoy promete una nueva generación de aceleradores de partículas compactas. "La longitud de onda de la radiación de terahercios es aproximadamente cien veces más corta que las ondas de radio utilizadas actualmente para acelerar las partículas", explicó Kärtner. "Esto significa que los componentes del acelerador también pueden construirse paraserá aproximadamente cien veces más pequeño ". El enfoque de terahercios promete aceleradores del tamaño de un laboratorio que permitirán aplicaciones completamente nuevas, por ejemplo, como fuentes compactas de rayos X para la ciencia de los materiales e incluso para imágenes médicas. La tecnología está actualmente en desarrollo.
Dado que las ondas de terahercios oscilan tan rápido, cada componente y cada paso tiene que sincronizarse con precisión. "Por ejemplo, para lograr la mejor ganancia de energía, los electrones deben golpear el campo de terahercios exactamente durante su medio ciclo de aceleración", explicó Zhang.En los aceleradores, las partículas generalmente no vuelan en un haz continuo, sino que se empaquetan en racimos. Debido al campo que cambia rápidamente, en los aceleradores de terahercios estos racimos tienen que ser muy cortos para garantizar condiciones de aceleración uniformes a lo largo del grupo.
"En experimentos anteriores los racimos de electrones eran demasiado largos", dijo Zhang. "Dado que el campo de terahercios oscila tan rápido, algunos de los electrones en el grupo se aceleraron, mientras que otros incluso se desaceleraron. Así que, en total, solo hubouna ganancia de energía media moderada y, lo que es más importante, una amplia distribución de energía, lo que da como resultado lo que llamamos mala calidad del haz ". Para empeorar las cosas, este efecto aumentó fuertemente la emisión, una medida de qué tan bien se agrupa un haz de partículastransversalmente. Cuanto más apretado, mejor, cuanto menor es la emisión.
Para mejorar la calidad del haz, Zhang y sus colegas construyeron un acelerador de dos pasos a partir de un dispositivo multipropósito que habían desarrollado anteriormente: el acelerador y manipulador de electrones segmentados Terahertz STEAM puede comprimir, enfocar, acelerar y analizar grupos de electrones conradiación de terahercios. Los investigadores combinaron dos dispositivos STEAM en línea. Primero comprimieron los racimos de electrones entrantes de aproximadamente 0.3 milímetros de longitud a solo 0.1 milímetros. Con el segundo dispositivo STEAM, aceleraron los racimos comprimidos ". Este esquema requiere control en el nivelde cuadrillonésimos de segundo, lo que logramos ", dijo Zhang" Esto condujo a una reducción cuádruple de la propagación de energía y mejoró la emisión seis veces, produciendo los mejores parámetros de haz de un acelerador de terahercios hasta el momento ".
La ganancia neta de energía de los electrones que fueron inyectados con una energía de 55 kiloelectrones voltios keV fue de 70 keV. "Este es el primer aumento de energía superior al 100 por ciento en un acelerador accionado por terahercios", enfatizó Zhang. El dispositivo acopladoprodujo un campo de aceleración con una fuerza máxima de 200 millones de voltios por metro MV / m, cerca de los aceleradores convencionales más potentes y de última generación. Para aplicaciones prácticas, esto aún debe mejorarse significativamente ". Nuestro trabajo demuestra queincluso una compresión tres veces más fuerte de los racimos de electrones es posible. Junto con una mayor energía de terahercios, los gradientes de aceleración en el régimen de gigavoltios por metro parecen factibles ", resumió Zhang." El concepto de terahercios parece cada vez más prometedor como una opción realistapara el diseño de aceleradores de electrones compactos "
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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