Een team van DESY-wetenschappers heeft een miniatuur dubbele deeltjesversneller gebouwd die een deel van de laserenergie die in het systeem wordt ingevoerd kan recyclen om de energie van de versnelde elektronen een tweede keer te verhogen. Het apparaat maakt gebruik van smalbandige terahertz-straling die tussen infrarood- en radiofrequenties in het elektromagnetische spectrum ligt, en een enkele versnellingsbuis is slechts 1,5 centimeter lang en 0,79 millimeter in diameter. Dongfang Zhang en zijn collega's van het Center for Free-Electron laser Science (CFEL) bij DESY presenteren hun experimentele versneller in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

De miniatuurgrootte van het apparaat is mogelijk vanwege de korte golflengte van terahertz-straling. "Terahertz-gebaseerde versnellers zijn naar voren gekomen als veelbelovende kandidaten voor compacte elektronenbronnen van de volgende generatie, " legt Franz Kärtner uit, Lead Scientist bij DESY en hoofd van de CFEL-groep die het apparaat heeft gebouwd. Wetenschappers hebben eerder met succes geëxperimenteerd met terahertz-versnellers, die toepassingen mogelijk zouden kunnen maken waar grote deeltjesversnellers gewoon niet haalbaar of noodzakelijk zijn. "Echter, de techniek bevindt zich nog in een vroeg stadium, en de prestaties van experimentele terahertz-versnellers zijn beperkt door het relatief korte deel van de interactie tussen de terahertz-puls en de elektronen, ", zegt Kartner.

Voor het nieuwe apparaat het team gebruikte een langere puls bestaande uit vele cycli van terahertz-golven. Deze multicycle-puls verlengt het interactiegedeelte met de deeltjes aanzienlijk. "We voeren de multicycle terahertz-puls in een golfgeleider die is bekleed met een diëlektrisch materiaal", zegt Zhang. Binnen de golfgeleider, de snelheid van de pols wordt verlaagd. Een bundel elektronen wordt net op tijd in het centrale deel van de golfgeleider geschoten om met de puls mee te reizen. "Dit schema vergroot het interactiegebied tussen de terahertz-puls en de elektronenbundel tot een centimeterbereik - vergeleken met enkele millimeters in eerdere experimenten, " meldt Zhang.

Het apparaat produceerde geen grote versnelling in het lab. Echter, het team kon het concept bewijzen door aan te tonen dat de elektronen energie krijgen in de golfgeleider. "Het is een proof of concept. De energie van de elektronen nam toe van 55 tot ongeveer 56,5 kilo elektronvolt, " zegt Zhang. "Een sterkere versnelling kan worden bereikt door een sterkere laser te gebruiken om de terahertz-pulsen te genereren."

De opzet is vooral bedoeld voor het niet-relativistische regime, wat betekent dat de elektronen snelheden hebben die niet zo dicht bij de lichtsnelheid liggen. interessant, dit regime maakt een recycling van de terahertz-puls voor een tweede versnellingsfase mogelijk. "Zodra de terahertz-puls de golfgeleider verlaat en het vacuüm binnengaat, zijn snelheid wordt teruggezet naar de snelheid van het licht, " legt Zhang uit. "Dit betekent, de puls haalt de langzamere elektronenbundel in een paar centimeter in. We hebben een tweede golfgeleider geplaatst op precies de juiste afstand dat de elektronen erin komen samen met de terahertz-puls die weer wordt afgeremd door de golfgeleider. Op deze manier, we genereren een tweede interactiesectie, het stimuleren van de energieën van de elektronen verder."

In het laboratoriumexperiment slechts een klein deel van de terahertz-puls kon op deze manier worden gerecycled. Maar het experiment laat zien dat recycling in principe mogelijk is, en Zhang is ervan overtuigd dat de gerecyclede fractie aanzienlijk kan worden verhoogd. Nicolaas Mattis, senior wetenschapper en de teamleider van het project in de CFEL-groep, benadrukt:"Ons cascadeschema zal de vraag naar het vereiste lasersysteem voor elektronenversnelling in het niet-relativistische regime aanzienlijk verminderen, nieuwe mogelijkheden openen voor het ontwerp van op terahertz gebaseerde versnellers."