Gli scienziati SLAC hanno inventato una struttura di acceleratore in rame che potrebbe rendere più compatti i futuri laser a raggi X e acceleratori per la radioterapia. Alimenta la radiazione terahertz in una minuscola cavità per aumentare le particelle a energie tremende. Questa immagine mostra una metà della struttura con la cavità nell'area cerchiata. Riquadro:immagine al microscopio elettronico a scansione di una sezione della cavità, che è lungo 3,5 millimetri e largo 280 micron nel punto più stretto. Credito:Chris Pearson/Emilio Nanni/SLAC National Accelerator Laboratory
Gli acceleratori di particelle generano fasci di elettroni ad alta energia, protoni e ioni per un'ampia gamma di applicazioni, compresi i collisori di particelle che fanno luce sui componenti subatomici della natura, Laser a raggi X che filmano atomi e molecole durante reazioni chimiche e dispositivi medici per il trattamento del cancro.
Come regola generale, più lungo è l'acceleratore, più è potente. Ora, un team guidato da scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha inventato un nuovo tipo di struttura dell'acceleratore che fornisce un guadagno di energia 10 volte maggiore su una data distanza rispetto a quelli convenzionali. Ciò potrebbe rendere gli acceleratori utilizzati per una determinata applicazione 10 volte più brevi.
L'idea chiave alla base della tecnologia, descritto in un recente articolo in Lettere di fisica applicata , consiste nell'utilizzare la radiazione terahertz per aumentare le energie delle particelle.
Negli acceleratori di oggi, le particelle traggono energia da un campo a radiofrequenza (RF) immesso in strutture acceleratrici appositamente sagomate, o cavità. Ogni cavità può fornire solo una spinta energetica limitata su una determinata distanza, quindi sono necessarie file di cavità molto lunghe per produrre fasci ad alta energia.
Terahertz e onde radio sono entrambe radiazioni elettromagnetiche; differiscono nelle rispettive lunghezze d'onda. Poiché le onde terahertz sono 10 volte più corte delle onde radio, le cavità in un acceleratore terahertz possono anche essere molto più piccole. Infatti, quello inventato in questo studio era lungo solo 0,2 pollici.
Una delle principali sfide per la costruzione di queste minuscole strutture di cavità è lavorarle in modo molto preciso. Negli ultimi anni, I team SLAC hanno sviluppato un modo per farlo. Invece di utilizzare il processo tradizionale di impilare molti strati di rame uno sopra l'altro, costruirono la minuscola struttura lavorando due metà e unendole insieme.
La nuova struttura produce anche impulsi di particelle mille volte più brevi di quelli che escono dalle tradizionali strutture in rame, che potrebbe essere utilizzato per produrre raggi che pulsano a una velocità maggiore e liberano più potenza in un determinato periodo di tempo.
Prossimo, i ricercatori stanno progettando di trasformare l'invenzione in un cannone elettronico, un dispositivo che potrebbe produrre fasci di elettroni incredibilmente luminosi per la scienza delle scoperte, compresi laser a raggi X di nuova generazione e microscopi elettronici che ci permetterebbero di vedere in tempo reale come funziona la natura a livello atomico. Questi fasci potrebbero essere utilizzati anche per il trattamento del cancro.
Realizzare questo potenziale richiede anche un ulteriore sviluppo delle sorgenti di radiazioni terahertz e la loro integrazione con acceleratori avanzati, come quello descritto in questo studio. Poiché la radiazione terahertz ha una lunghezza d'onda così corta, le sue fonti sono particolarmente difficili da sviluppare, e al momento c'è poca tecnologia disponibile. I ricercatori SLAC stanno perseguendo sia la generazione di raggi di elettroni che la generazione di terahertz basata su laser per fornire le elevate potenze di picco necessarie per trasformare la loro ricerca sugli acceleratori in future applicazioni del mondo reale.
