Winziger Doppelbeschleuniger recycelt Energie

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Ein Team von DESY-Wissenschaftlern hat einen Miniatur-Doppelteilchenbeschleuniger gebaut, der einen Teil der in das System eingespeisten Laserenergie recyceln kann, um die Energie der beschleunigten Elektronen ein zweites Mal zu steigern. Das Gerät verwendet schmalbandige Terahertz-Strahlung, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot- und Radiofrequenzen liegt, und eine einzelne Beschleunigungsröhre ist nur 1,5 Zentimeter lang und hat einen Durchmesser von 0,79 Millimetern. Dongfang Zhang und seine Kollegen vom Zentrum für Freie-Elektronen-Laserwissenschaft (CFEL) bei DESY präsentieren ihren experimentellen Beschleuniger in der Zeitschrift Physical Review X.

Die Miniaturgröße des Gerätes ist aufgrund der kurzen Wellenlänge der Terahertz-Strahlung möglich. „Terahertz-basierte Beschleuniger haben sich als vielversprechende Kandidaten für Kompaktelektronenquellen der nächsten Generation herausgestellt“, erklärt Franz Kärtner, leitender Wissenschaftler bei DESY und Leiter der CFEL-Gruppe, die das Gerät gebaut hat. Wissenschaftler haben bereits erfolgreich mit Terahertz-Beschleunigern experimentiert, was Anwendungen ermöglichen könnte, bei denen große Teilchenbeschleuniger einfach nicht realisierbar oder notwendig sind. „Die Technik befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium, und die Leistung experimenteller Terahertz-Beschleuniger wurde durch den relativ kurzen Wechselwirkungsabschnitt zwischen dem Terahertz-Impuls und den Elektronen eingeschränkt“, sagt Kärtner.

Für das neue Gerät verwendete das Team einen längeren Impuls, der viele Zyklen von Terahertz-Wellen umfasste. Dieser Mehrradimpuls erweitert den Wechselwirkungsabschnitt mit den Partikeln erheblich. „Wir speisen den Mehrrad-Terahertz-Impuls in einen Wellenleiter ein, der mit einem dielektrischen Material ausgekleidet ist“, sagt Zhang. Innerhalb des Wellenleiters wird die Impulsgeschwindigkeit verringert. Ein Bündel von Elektronen wird gerade rechtzeitig in den zentralen Teil des Wellenleiters geschossen, um sich zusammen mit dem Puls zu bewegen. „Dieses Schema vergrößert den Wechselwirkungsbereich zwischen dem Terahertz-Impuls und dem Elektronenbündel auf den Zentimeterbereich – verglichen mit einigen Millimetern in früheren Experimenten“, berichtet Zhang.

Das Gerät erzeugte im Labor keine große Beschleunigung. Das Team konnte das Konzept jedoch beweisen, indem es zeigte, dass die Elektronen im Wellenleiter Energie gewinnen. „Es ist ein Proof of Concept. Die Energie der Elektronen stieg von 55 auf etwa 56,5 Kilo Elektronenvolt “, sagt Zhang. "Eine stärkere Beschleunigung kann erreicht werden, indem ein stärkerer Laser zur Erzeugung der Terahertz-Impulse verwendet wird."

Der Aufbau ist hauptsächlich für das nicht-relativistische Regime konzipiert, was bedeutet, dass die Elektronen …

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