Un team di scienziati DESY ha costruito un doppio acceleratore di particelle in miniatura in grado di riciclare parte dell'energia laser immessa nel sistema per aumentare una seconda volta l'energia degli elettroni accelerati. Il dispositivo utilizza radiazioni terahertz a banda stretta che si trovano tra le frequenze infrarosse e radio nello spettro elettromagnetico, e un singolo tubo di accelerazione è lungo solo 1,5 centimetri e ha un diametro di 0,79 millimetri. Dongfang Zhang e i suoi colleghi del Center for Free-Electron laser Science (CFEL) di DESY presentano il loro acceleratore sperimentale sulla rivista Revisione fisica X .

La dimensione in miniatura del dispositivo è possibile grazie alla corta lunghezza d'onda della radiazione terahertz. "Gli acceleratori basati su terahertz sono emersi come candidati promettenti per le sorgenti di elettroni compatti di prossima generazione, " spiega Franz Kärtner, Lead Scientist presso DESY e capo del gruppo CFEL che ha costruito il dispositivo. Gli scienziati hanno già sperimentato con successo acceleratori terahertz, che potrebbe consentire applicazioni in cui i grandi acceleratori di particelle non sono fattibili o necessari. "Però, la tecnica è ancora in una fase iniziale, e le prestazioni degli acceleratori terahertz sperimentali sono state limitate dalla sezione relativamente breve di interazione tra l'impulso terahertz e gli elettroni, " dice Kartner.

Per il nuovo dispositivo, il team ha utilizzato un impulso più lungo comprendente molti cicli di onde terahertz. Questo impulso multiciclo estende significativamente la sezione di interazione con le particelle. "Introduciamo l'impulso terahertz multiciclo in una guida d'onda rivestita con un materiale dielettrico", dice Zhang. All'interno della guida d'onda, la velocità dell'impulso viene ridotta. Un gruppo di elettroni viene sparato nella parte centrale della guida d'onda appena in tempo per viaggiare insieme all'impulso. "Questo schema aumenta la regione di interazione tra l'impulso terahertz e il fascio di elettroni nell'intervallo di centimetri, rispetto a pochi millimetri negli esperimenti precedenti, " riferisce Zhang.

Il dispositivo non ha prodotto una grande accelerazione in laboratorio. Però, il team potrebbe dimostrare il concetto dimostrando che gli elettroni guadagnano energia nella guida d'onda. "È una prova del concetto. L'energia degli elettroni è aumentata da 55 a circa 56,5 kiloelettronvolt, " dice Zhang. "Un'accelerazione più forte può essere ottenuta utilizzando un laser più forte per generare gli impulsi terahertz".

L'impianto è pensato principalmente per il regime non relativistico, il che significa che gli elettroni hanno velocità che non sono così vicine alla velocità della luce. interessante, questo regime consente un riciclo dell'impulso terahertz per un secondo stadio di accelerazione. "Una volta che l'impulso terahertz lascia la guida d'onda ed entra nel vuoto, la sua velocità è riportata alla velocità della luce, " spiega Zhang. "Questo significa, l'impulso supera il gruppo di elettroni più lento in un paio di centimetri. Abbiamo posizionato una seconda guida d'onda alla giusta distanza in cui gli elettroni entrano in essa insieme all'impulso terahertz che viene nuovamente rallentato dalla guida d'onda. In questo modo, generiamo una seconda sezione di interazione, aumentando ulteriormente le energie degli elettroni."

Nell'esperimento di laboratorio, solo una piccola frazione dell'impulso terahertz potrebbe essere riciclata in questo modo. Ma l'esperimento mostra che il riciclaggio è possibile in linea di principio, e Zhang è fiducioso che la frazione riciclata possa essere sostanzialmente aumentata. Nicholas Mattlis, scienziato senior e capo squadra del progetto nel gruppo CFEL, sottolinea:"Il nostro schema a cascata ridurrà notevolmente la richiesta del sistema laser richiesto per l'accelerazione degli elettroni nel regime non relativistico, aprendo nuove possibilità per la progettazione di acceleratori basati su terahertz".