Физики добились рекордного ускорения электронов терагерцовым импульсом

Ученые впервые добились припомощи экспериментального компактного ускорителя частиц на основе терагерцовогоизлучения увеличения энергии электронов более чем в два раза. Помимо этого авторам удалось значительно улучшить и другие характеристики пучка, благодарячему был продемонстрирован самый удачный на данный момент режим работыподобного устройства, пишут физики в журнале Optica . В последние годы активноразвивается область новых методов ускорения частиц, альтернативных используемымв существующих гигантских установках, таких как Большой адронный коллайдер.

Подобные устройства нужны не только для фундаментальных исследований в областифизики элементарных частиц и биологии, но и в прикладных областях, таких какмедицина и изготовление полупроводниковых устройств. На данный моментсуществует несколько параллельно развивающихся концепций ускорения заряженныхчастиц, каждая из которых обладает своими плюсами и минусами и пока не сталашироко применяться. Большинство из них в той или иной форме используют лазерноеизлучение. К ним относятся, в частности, диэлектрическое лазерное ускорение и лазерно-плазменноеускорение , для которых характерно излучения с длиной волны порядка микрон. Промежуточным в смыслепространственных масштабов являются ускорители на основе терагерцовых импульсовс характерным размером в миллиметры. Теоретически они позволяют достигатьнамного больших по сравнению с традиционными устройствами ускоряющих градиентовэлектромагнитных полей и значительного сокращения размера, стоимости инеобходимой инфраструктуры, сохраняя прежний технологический процессизготовления. Одной из актуальных проблемданной технологии является синхронизация ускоряемых электронов с импульсамиполя, так как частицы обычно движутся не в виде непрерывного потока, поэтому сгусткиэлектронов должны обладать определенными параметрами. Эту задачу решали авторыстатьи во главе с Дунфан Чжаном (Dongfang Zhang), сотрудником немецкого ускорителяDESY. Онисоздали двухступенчатый ускоритель с использованием разработанных ранееустройств STEAM (Segmented Terahertz Electron Accelerator and Manipulator —сегментированный терагерцовый электронный ускоритель и манипулятор). «Для достижениянаивысшего прироста энергии электроны должны испытывать воздействиетерагерцового поля точно на ускоряющей половине колебания, — говорит Чжан. — Впредыдущих экспериментах сгустки оказывались слишком длинными, поэтому из-забыстрых колебаний терагерцового поля не все электроны ускорялись, а некоторыедаже замедлялись. Это приводило к умеренному среднему росту энергии и, чтоболее важно, широкому распределению по энергиям, которое приводит к пучкуплохого качества». Первый ускоритель вкаскаде использовался для сужения входящего пучка электронов с 0,3 до 0,1миллиметра в длину, а второй уже увеличивал энергию. Для реализации понадобиласьсинхронизация на уровне квадриллионных долей секунды, соответствующих периодуколебания поля. Авторам удалось этого достичь, что привело к четырехкратномууменьшению энергетического уширения и шестикратному улучшению эмиттанса (характеристика занимаемого частицами объема фазового пространства, то естькомбинация распределения по всем координатам и всем проекциями скоростей). В эксперименте использовалисьэлектроны с энергией в 55 килоэлектронвольт, которые были успешно ускорены ещена 70 килоэлектронвольт. Таким образом, в работе впервые было продемонстрирован превышающий100 процентов рост энергии с использованием терагерцового ускорителя. Максимальныйградиент поля достигал 200 мегавольт на метр, что близко к рекордным значениямив ускорителях других типов. «Наша работа показывает,что возможно еще более сильное сжатие пучка электронов, чем в три раза, —подытоживает Чжан. — Вместе с повышением энергии терагерцового поля кажутсядостижимыми ускоряющие градиенты на уровне гигавольт на метр. Таким образом,терагерцовая технология представляется все более многообещающей опцией длясоздания компактных ускорителей электронов». Ранее физики сгенерировали рекордно мощные импульсы терагерцового излучения, зарегистрировали его от воды и заглянули с его помощью под изоляцию тросов. Тимур Кешелава