Новая методика ускорения заряженных частиц
Огромные размеры и стоимость современных ускорителей на базе обычных радиочасто-резонансных технологиях породили большой интерес к разработке новых методов ускорения частиц, которые были бы более компактными и экономичными. Лазерные ускорители на базе диэлектрических микроструктур (ЛДУ) в этом плане очень интересны, потому что такие они могут создавать ускоряющие поля на один или даже на два порядка выше, чем стандартные резонасные линейные ускорители. В ЛДУ в качестве источника энергии можно использовать коммерческие лазеры, которые меньше и дешевле, чем радиочастотные клистроны, используемые в подавляющем большинстве сегодняшних ускорителей. Кроме того, ЛДУ изготавливаются с помощью недорогих, литографических методов, хорошо подходящих для массового производства.
В работе впервые получен довольно высокий градиент ( за 250 МэВ/м) ускорения электронов в ЛДУ . Релятивистские электроны с энергией 60 МэВ модулировались через 563 ± 104 оптических периодов структурой кремния и накачивалась от 800 нм титан-сапфирового лазера с синхронизацией мод. Наблюдаемые результаты находятся в согласии с аналитическими и электродинамическими моделями. Для сравнения, обычные современные линейные ускорители работают при градиентах 10-30 МэВ/м и первый линейный радиочастотный резонаторный ускоритель имеет длину десять радиочастотных периодов (один метр) с градиентом примерно 1,6 МэВ/м. Результаты, представленные в перечисленных ниже работах заложили основу для создания будущих многоступенчатых устройств ЛДУ из интегрированных однокристальных систем. Это позволит создавать компактные настольные ускорители на с энергиями порядка МэВ-ГэВ ( 106-109 эВ) для сканеров безопасности и медицины, универсальные рентгеновские источники для биологических исследований и изучения материалов. Кроме того новые диэлектрические ускорители позволят существенно уменьшить размер и стоимость будущего коллайдера на нескольких ТэВ (1012 эВ).
Схема работы диэлектрического лазерного ускорителя
На кварцевое стекло с периодическими бороздками субмикронного размера светит лазерный луч, а вдоль поверхности, перпендикулярно бороздкам и лучу, пускается поток электронов. Бегущая вдоль поверхности эванесцентная световая волна подхватывает электроны и ускоряет их своим полем
Слева: кварцевая пластина с сотнями нужных диэлектрических структур; справа: условная схема установки «ускоритель-на-чипе», в которой все элементы циклического ускорителя выполнены в виде структур в цельной пластине и управляются лазерными импульсами.
Источники:
- J. Breuer, P. Hommelhoff. Laser-Based Acceleration of Nonrelativistic Electrons at a Dielectric Structure // Phys. Rev. Lett. 111, 134803 (2013); статья свободно доступна в виде е-принта arXiv:1308.0464 [physics.optics].
- E. A. Peralta et al. Demonstration of electron acceleration in a laser-driven dielectric microstructure // Nature (2013), публикация «online first».
- Статья на сайте «Элементы»