Cientistas do DESY alcançaram um novo recorde mundial para um tipo experimental de acelerador de partículas em miniatura: pela primeira vez, um acelerador acionado por terahertz mais que dobrou a energia dos elétrons injetados. Ao mesmo tempo, a configuração melhorou significativamente a qualidade do feixe de elétrons em comparação com experimentos anteriores com a técnica, como Dongfang Zhang e seus colegas do Centro de Ciência a Laser de Eletrônicos Livres (CFEL) do relatório DESY da revista Optica. “Nós alcançamos os melhores parâmetros de feixe ainda para aceleradores terahertz”, disse Zhang.
“Este resultado representa um passo crítico para a implementação prática de aceleradores com motor terahertz”, enfatizou Franz Kärtner, que lidera o grupo ultra-rápido de óptica e raios-X no DESY. A radiação de Terahertz está entre as freqüências de infravermelho e microondas no espectro eletromagnético e promete uma nova geração de aceleradores compactos de partículas. “O comprimento de onda da radiação terahertz é cerca de cem vezes menor do que as ondas de rádio usadas atualmente para acelerar as partículas”, explicou Kärtner. “Isso significa que os componentes do acelerador também podem ser construídos para serem cerca de cem vezes menores.” A abordagem terahertz promete aceleradores do tamanho de laboratórios que permitirão aplicações completamente novas, por exemplo, como fontes compactas de raios-X para a ciência de materiais e talvez até para imagens médicas. A tecnologia está atualmente em desenvolvimento.
Como as ondas terahertz oscilam tão rapidamente, cada componente e cada etapa precisam ser precisamente sincronizados. “Por exemplo, para conseguir o melhor ganho de energia, os elétrons têm que atingir o campo terahertz exatamente durante o seu meio ciclo de aceleração”, explicou Zhang. Em aceleradores, as partículas normalmente não voam em um raio contínuo, mas empacotam-se em ramos. Por causa do campo de rápida mudança, em aceleradores terahertz esses cachos têm que ser muito curtos para garantir condições de aceleração ao longo do grupo.
“Em experimentos anteriores, os feixes de elétrons eram muito longos”, disse Zhang. “Como o campo de terahertz oscila tão rapidamente, alguns dos elétrons do grupo foram acelerados, enquanto outros foram até desacelerados. Então, no total, houve apenas um ganho de energia médio moderado e, o que é mais importante, uma ampla distribuição de energia. , resultando no que chamamos de má qualidade do feixe “. Para piorar as coisas, este efeito aumentou fortemente a emitância, uma medida de quão bem um feixe de partículas é empacotado transversalmente. Quanto mais apertado, melhor – quanto menor a emitância.
Para melhorar a qualidade do feixe, Zhang e seus colegas construíram um acelerador de duas etapas a partir de um dispositivo multiuso desenvolvido anteriormente: O Acelerador e Manipulador de Elétrons Terahertz (STEAM) pode comprimir, focalizar, acelerar e analisar feixes de elétrons com radiação terahertz. . Os pesquisadores combinaram dois dispositivos STEAM em linha. Eles primeiro comprimiram os grupos de elétrons que chegavam de aproximadamente 0,3 milímetros de comprimento a apenas 0,1 milímetros. Com o segundo dispositivo STEAM, eles aceleraram os cachos comprimidos. “Este esquema requer controle sobre o nível de quadrilionésimos de segundo, o que conseguimos”, disse Zhang. Isso levou a uma redução de quatro vezes da dispersão de energia e melhorou a emissão seis vezes, produzindo os melhores parâmetros de feixe de um acelerador terahertz até o momento. “
O ganho líquido de energia dos elétrons que foram injetados com uma energia de 55 kiloelétron volts (keV) foi de 70 keV. “Este é o primeiro impulso de energia maior que 100 por cento em um acelerador motorizado terahertz”, enfatizou Zhang. O dispositivo acoplado produziu um campo de aceleração com um pico de força de 200 milhões de Volts por metro (MV / m) – próximo aos aceleradores convencionais mais avançados de última geração. Para aplicações práticas, isso ainda precisa ser significativamente melhorado. “Nosso trabalho mostra que até uma compressão mais de três vezes mais forte dos feixes de elétrons é possível. Juntamente com uma maior energia terahertz, os gradientes de aceleração no regime de gigavolts por metro parecem viáveis”, resumiu Zhang. “O conceito de terahertz, portanto, parece cada vez mais promissor como uma opção realista para o projeto de aceleradores de elétrons compactos.”
Publicado em 11/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-experimental-mini-accelerator-energy.html
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