Оставаться сосредоточенным
Поскольку заряженные частицы имеют тенденцию отдаляться друг от друга по мере своего распространения, все ускорительные технологии сталкиваются с проблемой удержания частиц в требуемых пространственных и временных границах.
В результате ускорители элементарных частиц могут иметь длину до десяти километров, и требуются годы подготовки и строительства, прежде чем они будут готовы к использованию, не говоря уже о крупных инвестициях. Диэлектрическое лазерное ускорение, или DLA, использует сверхбыструю лазерную технологию и достижения в производстве полупроводников, чтобы потенциально минимизировать размеры этих ускорителей до нескольких миллиметров или сантиметров.
Перспективный подход: эксперименты уже показали, что DLA превосходит используемые в настоящее время технологии как минимум в 35 раз.
Это означает, что длина потенциального ускорителя может быть уменьшена во столько же раз. Однако до сих пор было неясно, можно ли увеличить эти цифры для более длинных структур.
Команда физиков под руководством проф. Доктор. Питер Хоммельхофф из кафедры лазерной физики FAU сделал важный шаг вперед в адаптации DLA для использования в полнофункциональных ускорителях. В их работе впервые представлена схема, с помощью которой можно направлять электронные импульсы на большие расстояния.
Технология – это ключ
Схема, известная как «переменно-фазовая фокусировка» (APF), является методом, взятым из первых дней теории ускорителей.
Фундаментальный закон физики означает, что сфокусировать заряженные частицы сразу во всех трех измерениях – ширине, высоте и глубине – невозможно. Однако этого можно избежать, поочередно фокусируя электроны в разных размерах. Прежде всего, электроны фокусируются с помощью модулированного лазерного луча, затем они «дрейфуют» через другой короткий проход, где на них не действуют никакие силы, прежде чем они окончательно ускоряются, что позволяет направлять их вперед.
В своем эксперименте ученые из FAU и TU Дармштадт включили колоннаду из овальных столбов с короткими промежутками через равные промежутки времени, что привело к повторяющимся макроячейкам. Каждая макроячейка оказывает фокусирующее или расфокусирующее действие на частицы, в зависимости от задержки между падающим лазером, электроном и зазором, который создает дрейфующий участок. Эта установка обеспечивает точное управление фазовым пространством электронов в оптическом или фемтосекундном ультравременном масштабе (фемтосекунда соответствует миллионной миллиардной доли секунды). В эксперименте воздействие лазера на структуру показывает увеличение тока луча через структуру.
Если лазер не используется, электроны не направляются и постепенно врезаются в стенки канала. «Это очень интересно», – говорит физик FAU Йоханнес Илмер, соавтор публикации. Для сравнения, большой адронный коллайдер в ЦЕРНе использует 23 из этих ячеек на кривой длиной 2450 метров. Наша наноструктура использует пять ячеек аналогичного действия размером всего 80 микрометров.’
Когда мы можем ожидать увидеть первый ускоритель DLA?
«Результаты чрезвычайно значительны, но для нас это всего лишь промежуточный этап», – поясняет д-р. Рой Шайло », и наша конечная цель ясна: мы хотим создать полнофункциональный ускоритель – на микрочипе.’
Работа в этой области ведется международной коллаборацией «ускоритель на кристалле» (ACHIP), участниками которой являются авторы.
Коллаборация уже доказала, что теоретически APF можно настроить для ускорения электронных пучков. Таким образом, сложные трехмерные установки APF могут стать основой для технологии ускорителей частиц будущего. «Мы должны захватывать электроны во всех трех измерениях, если мы хотим ускорять их на большие расстояния без каких-либо потерь», – объясняет доктор Др.
Уве Нидермайер из Технического университета Дармштадта и соавтор публикации.