Создан сверхминиатюрный ускоритель частиц, работающий при помощи терагерцового излучения - «Наука и технологии»

Международная группа исследователей из германской исследовательской организации Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Научно-исследовательского центра лазеров на свободных электронах (Center for Free-Electron Laser Science, CFEL) и Массачусетского технологического института создала опытный образец сверхминиатюрного ускорителя частиц, который вместо волн радиочастотного диапазона использует терагерцовое излучение. Этот ускоритель имеет длину в 1.5 сантиметра и толщину в 1 миллиметр, а его использование позволит сократить минимум в 100 раз размеры установки, лазера на свободных электронах (free-electron laser, FEL), в котором будет установлен этот ускоритель.

В линейных волновых ускорителях частиц обычно используются электромагнитные волны из радиочастотного диапазона. К примеру, ускоритель DESY PETRA III работает на частоте порядка 500 МГц. Длина волны излучения, используемого в миниатюрном ускорителе, приблизительно в тысячу раз меньше. "Преимущество такого подхода заключается в том, что и все остальные элементы ускорителя могут иметь в тысячу раз меньшие размеры" - объясняет Франц Картнер (Franz Kаrtner), профессор из Гамбургского университета и Массачусетского технологического института.

В миниатюрном ускорителе использован миниатюрный модуль инжектора электронов, разработанный специалистами CFEL. Электроны, введенные внутрь ускорителя, разгоняются за счет энергии волн терагерцового излучения, которые резонируют благодаря микроструктурированной конструкции камеры ускорителя. Опытный образец ускорителя из-за его малой длины способен увеличить энергию электронов всего на 7 килоэлектронвольт (КэВ). "Это, конечно, не очень большая энергия ускорения. Но наш эксперимент служит доказательством работоспособности технологии, которая, в теории, может обеспечить энергию разгона до одного гигаэлектронвольта на один метр" - рассказывает Арья Фаллэхи (Arya Fallahi), ученый из CFEL, который занимался теоретическими расчетами, - "Технология плазменных ускорителей может произвести еще большую энергию ускорения, однако, для ее работы требуются лазеры, более мощные, чем использованные нами источники терагерцового излучения".

Следует отметить, что ускоритель электронов, работающий на точно таком же принципе, будет использоваться в конструкции европейского лазера на свободных электронах XFEL, строительство которого ведется в настоящее время. Длина этой установки будет составлять порядка трех километров, а собственно терагерцовый ускоритель электронов будет иметь длину всего в один метр. "Мы ожидаем, что новый ускоритель позволит нам получать короткие импульсы рентгеновского излучения, длительность которых будет составлять менее фемтосекунды" - рассказывает Франц Картнер, - "Уменьшение длины импульса будет означать пропорциональное увеличение его пиковой мощности и яркости. При помощи таких импульсов мы попытаемся проникнуть в суть множества быстрых химических процессов, таких, которые задействованы в фотоснитезе".