Физики добились рекордного ускорения электронов терагерцовым импульсом

Ученые впервые добились при помощи экспериментального компактного ускорителя частиц на основе терагерцового излучения увеличения энергии электронов более чем в два раза. Помимо этого авторам удалось значительно улучшить и другие характеристики пучка, благодаря чему был продемонстрирован самый удачный на данный момент режим работы подобного устройства, пишут физики в журнале Optica.

В последние годы активно развивается область новых методов ускорения частиц, альтернативных используемым в существующих гигантских установках, таких как Большой адронный коллайдер. Подобные устройства нужны не только для фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц и биологии, но и в прикладных областях, таких как медицина и изготовление полупроводниковых устройств.

На данный момент существует несколько параллельно развивающихся концепций ускорения заряженных частиц, каждая из которых обладает своими плюсами и минусами и пока не стала широко применяться. Большинство из них в той или иной форме используют лазерное излучение. К ним относятся, в частности, диэлектрическое лазерное ускорение и лазерно-плазменное ускорение, для которых характерно излучения с длиной волны порядка микрон.

Промежуточным в смысле пространственных масштабов являются ускорители на основе терагерцовых импульсов с характерным размером в миллиметры. Теоретически они позволяют достигать намного больших по сравнению с традиционными устройствами ускоряющих градиентов электромагнитных полей и значительного сокращения размера, стоимости и необходимой инфраструктуры, сохраняя прежний технологический процесс изготовления.

Одной из актуальных проблем данной технологии является синхронизация ускоряемых электронов с импульсами поля, так как частицы обычно движутся не в виде непрерывного потока, поэтому сгустки электронов должны обладать определенными параметрами. Эту задачу решали авторы статьи во главе с Дунфан Чжаном (Dongfang Zhang), сотрудником немецкого ускорителя DESY. Они создали двухступенчатый ускоритель с использованием разработанных ранее устройств STEAM (Segmented Terahertz Electron Accelerator and Manipulator — сегментированный терагерцовый электронный ускоритель и манипулятор).

«Для достижения наивысшего прироста энергии электроны должны испытывать воздействие терагерцового поля точно на ускоряющей половине колебания, — говорит Чжан. — В предыдущих экспериментах сгустки оказывались слишком длинными, поэтому из-за быстрых колебаний терагерцового поля не все электроны ускорялись, а некоторые даже замедлялись. Это приводило к умеренному среднему росту энергии и, что более важно, широкому распределению по энергиям, которое приводит к пучку плохого качества».

Первый ускоритель в каскаде использовался для сужения входящего пучка электронов с 0,3 до 0,1 миллиметра в длину, а второй уже увеличивал энергию. Для реализации понадобилась синхронизация на уровне квадриллионных долей секунды, соответствующих периоду колебания поля. Авторам удалось этого достичь, что привело к четырехкратному уменьшению энергетического уширения и шестикратному улучшению эмиттанса (характеристика занимаемого частицами объема фазового пространства, то есть комбинация распределения по всем координатам и всем проекциями скоростей).

В эксперименте использовались электроны с энергией в 55 килоэлектронвольт, которые были успешно ускорены еще на 70 килоэлектронвольт. Таким образом, в работе впервые было продемонстрирован превышающий 100 процентов рост энергии с использованием терагерцового ускорителя. Максимальный градиент поля достигал 200 мегавольт на метр, что близко к рекордным значениям в современных радиочастотных ускорителях.

«Наша работа показывает, что возможно еще более сильное сжатие пучка электронов, чем в три раза, — подытоживает Чжан. — Вместе с повышением энергии терагерцового поля кажутся достижимыми ускоряющие градиенты на уровне гигавольт на метр. Таким образом, терагерцовая технология представляется все более многообещающей опцией для создания компактных ускорителей электронов».

Ранее физики сгенерировали рекордно мощные импульсы терагерцового излучения, зарегистрировали его от воды и заглянули с его помощью под изоляцию тросов.

Тимур Кешелава