DESY-wetenschappers hebben een miniatuur deeltjesversneller voor elektronen gemaakt die met een druk op de knop vier verschillende functies kan uitvoeren. Het experimentele apparaat wordt aangedreven door een terahertz-stralingsbron en kan versnellen, samenpersen, focus en analyseer elektronenbundels in een bundel. De actieve structuren zijn slechts enkele millimeters groot. De ontwikkelaars van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presenteren hun gesegmenteerde terahertz-elektronenversneller en manipulator (STEAM) in het tijdschrift Natuurfotonica . terahertz-straling bevindt zich tussen microgolven en het infrarood in het elektromagnetische spectrum.

Een van de centrale kenmerken van het apparaat is de perfecte timing met de elektronenstraal. De wetenschappers bereikten dit door dezelfde laserpuls te gebruiken om een ​​elektronenbundel te genereren en het apparaat aan te drijven. "Om dit te doen, we nemen een infrarood laserpuls en splitsen het op, " legt eerste auteur Dongfang Zhang uit de groep van Franz Kärtner bij CFEL uit. "Beide delen worden ingevoerd in niet-lineaire kristallen die de lasergolflengte veranderen:voor het genereren van een elektronenbundel wordt de golflengte verschoven naar het ultraviolet en naar een fotokathode geleid waar het maakt een hoop elektronen vrij. Voor STEAM wordt de golflengte verschoven naar het terahertz-regime. De relatieve timing van de twee delen van de originele laserpuls hangt alleen af ​​van de lengte van het pad dat ze nemen en kan heel precies worden gecontroleerd."

Op deze manier, de wetenschappers kunnen controleren met ultrahoge precisie, welk deel van de terahertz-golf een elektronenbundel treft wanneer deze het apparaat binnenkomt. Afhankelijk van de aankomsttijd van de elektronenbundel, STEAM vervult zijn verschillende functies. "Bijvoorbeeld, een bos dat het negatieve deel van het terahertz elektrische veld raakt, wordt versneld, " legt Zhang uit. "Andere delen van de golf leiden tot focussering of defocussering van de bundel of tot een compressie met een factor tien of zo." Terwijl compressie betekent dat de elektronenbundel korter wordt in de vliegrichting, scherpstellen betekent dat het loodrecht op de vliegrichting krimpt.

Aanvullend, STEAM maakt het mogelijk om een ​​analyse uit te voeren van de structuur van de elektronenbundel langs zijn vluchtweg. Voor deze techniek is genaamd strepen, de inkomende elektronenbundel wordt zijdelings afgebogen, zodanig dat deze loodrecht op de vliegrichting wordt uitgesmeerd. Toen deze uitgesmeerde bos een detector raakt, het produceert een profiel van de bos langs zijn vluchtweg. Streaking wordt regelmatig gebruikt om de bosstructuren in deeltjesversnellers te analyseren. "STEAM is een soort Zwitsers zakmes voor elektronenstralen, " zegt Zhang. Om meerdere functies uit te voeren, zoals compressie en focus, meerdere eenheden van het apparaat kunnen worden gecombineerd.

Het gebruik van terahertz-straling zorgt ook voor het compacte formaat van het STEAM-apparaat. "Terahertz-straling heeft typisch honderd keer kortere golflengten dan de radiofrequentiestraling die wordt gebruikt in de grote deeltjesversnellers van vandaag. Daarom is alle structuren in het apparaat kunnen dienovereenkomstig krimpen, " legt Kärtner uit, die hoofdwetenschapper is bij DESY en professor aan de Universität Hamburg. Met een afmeting van slechts ongeveer twee centimeter aan de grootste kant, STEAM past gemakkelijk in een luciferdoosje. "En dat is gewoon de grootte van de behuizing. De actieve structuren zijn op millimeterschaal, ", voegt Zhang toe.

De technologie bevindt zich nog in een experimenteel stadium. De ontwikkelaars zien STEAM als een eerste stap op weg naar een toekomstige generatie compacte, terahertz aangedreven deeltjesversnellers. Deze kunnen nieuwe toepassingen mogelijk maken en een aanvulling vormen op de huidige versnellers. Ook, de zakmanipulator kan vandaag al worden gebruikt:versnellingsgroepen over de hele wereld overwegen het al voor boskarakterisering, zoals Kärtner opmerkt:"STEAM kan worden gebruikt voor toekomstige tafelversnellers, maar de verschillende functies zijn ook interessant voor bestaande machines."