Wetenschappers van DESY hebben een nieuw wereldrecord behaald voor een experimenteel type miniatuur deeltjesversneller:voor het eerst een terahertz aangedreven versneller verdubbelde de energie van de geïnjecteerde elektronen meer dan. Tegelijkertijd, de opstelling verbeterde de kwaliteit van de elektronenstraal aanzienlijk in vergelijking met eerdere experimenten met de techniek, zoals Dongfang Zhang en zijn collega's van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bij DESY rapporteren in het tijdschrift optiek . "We hebben de beste straalparameters tot nu toe bereikt voor terahertz-versnellers, " zei Zhang.

"Dit resultaat vertegenwoordigt een cruciale stap voorwaarts voor de praktische implementatie van terahertz-aangedreven versnellers, " benadrukte Franz Kärtner, die aan het hoofd staat van de ultrasnelle optica- en röntgengroep bij DESY. Terahertz-straling ligt tussen infrarood- en microgolffrequenties in het elektromagnetische spectrum en belooft een nieuwe generatie compacte deeltjesversnellers. "De golflengte van terahertz-straling is ongeveer honderd keer korter dan de radiogolven die momenteel worden gebruikt om deeltjes te versnellen, ", legt Kärtner uit. "Dit betekent dat de componenten van de versneller ook zo'n honderd keer kleiner kunnen worden gebouwd." De terahertz-aanpak belooft versnellers op laboratoriumformaat die volledig nieuwe toepassingen mogelijk zullen maken, bijvoorbeeld als compacte röntgenbronnen voor materialen wetenschap en misschien zelfs voor medische beeldvorming.De technologie is momenteel in ontwikkeling.

Omdat terahertz-golven zo snel oscilleren, elk onderdeel en elke stap moet nauwkeurig worden gesynchroniseerd. "Bijvoorbeeld, om de beste energiewinst te behalen, de elektronen moeten het terahertz-veld precies raken tijdens zijn versnellende halve cyclus, " legde Zhang uit. In versnellers, deeltjes vliegen meestal niet in een continue straal, maar zijn verpakt in trossen. Door het snel veranderende vakgebied in terahertz-versnellers moeten deze trossen erg kort zijn om gelijkmatige acceleratie-omstandigheden langs de bos te garanderen.

"In eerdere experimenten waren de elektronenbundels te lang", zei Zhang. "Omdat het terahertz-veld zo snel oscilleert, sommige elektronen in de bundel werden versneld, terwijl anderen zelfs vertraagd werden. Dus, in totaal was er slechts een matige gemiddelde energiewinst, en, wat is belangrijker, een brede energiespreiding, wat resulteert in wat we een slechte straalkwaliteit noemen." Om het nog erger te maken, dit effect verhoogde de emissie sterk, een maat voor hoe goed een deeltjesbundel transversaal is gebundeld. Hoe strakker, hoe beter - hoe kleiner de emissie.

Om de straalkwaliteit te verbeteren, Zhang en zijn collega's bouwden een tweestapsversneller van een multifunctioneel apparaat dat ze eerder hadden ontwikkeld:de gesegmenteerde Terahertz-elektronenversneller en -manipulator (STEAM) kan comprimeren, focus, versnellen en analyseren van elektronenbundels met terahertz-straling. De onderzoekers combineerden twee STEAM-apparaten in lijn. Ze comprimeerden eerst de binnenkomende elektronenbundels van ongeveer 0,3 millimeter lang tot slechts 0,1 millimeter. Met het tweede STEAM-apparaat, ze versnelden de samengeperste trossen. "Dit schema vereist controle op het niveau van biljardsten van een seconde, die we bereikten, " zei Zhang "Dit leidde tot een viervoudige vermindering van de energiespreiding en een zesvoudige verbetering van de emissie, wat tot nu toe de beste bundelparameters van een terahertz-versneller oplevert."

De netto energiewinst van de elektronen die werden geïnjecteerd met een energie van 55 kiloelektronvolt (keV) was 70 keV. "Dit is de eerste energieboost van meer dan 100 procent in een terahertz-aangedreven versneller, " benadrukte Zhang. Het gekoppelde apparaat produceerde een versnellend veld met een pieksterkte van 200 miljoen Volt per meter (MV/m) - dicht bij state-of-the-art sterkste conventionele versnellers. Voor praktische toepassingen moet dit nog aanzienlijk worden verbeterd "Ons werk laat zien dat zelfs een meer dan drie keer sterkere compressie van de elektronenbundels mogelijk is. Samen met een hogere terahertz-energie, versnellingsgradiënten in het regime van gigavolt per meter lijken haalbaar, " vatte Zhang samen. "Het terahertz-concept lijkt dus steeds veelbelovender als een realistische optie voor het ontwerp van compacte elektronenversnellers."