Introduzione

Un team di scienziati del DESY ha realizzato un acceleratore in miniatura a double particle in grado di riciclare parte dell’energia laser immessa nel sistema per potenziare l’energia degli elettroni accelerati una seconda volta. Il dispositivo utilizza radiazioni terahertz a banda stretta che si trovano tra le frequenze infrarosse e radio nello spettro elettromagnetico e un singolo tubo di accelerazione lungo solo 1,5 centimetri e 0,79 millimetri di diametro. Dongfang Zhang e i suoi colleghi del Center for Free-Electron laser Science (CFEL) al DESY hanno presentato il loro acceleratore sperimentale sulla rivista Physical Review X.

L’acceleratore in miniatura

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Il mini-acceleratore utilizza radiazioni terahertz che possono essere riciclate per un secondo stadio di accelerazione. Credits: DESY, Science Communication Lab

La dimensione in miniatura del dispositivo è possibile a causa della breve lunghezza d’onda della radiazione terahertz. “Gli acceleratori basati su Terahertz sono risultati dei candidati promettenti per le fonti di elettroni compatti di prossima generazione“, spiega Franz Kärtner, capo scienziato del DESY e capo del gruppo CFEL che ha costruito il dispositivo. Gli scienziati hanno già sperimentato con successo acceleratori di terahertz in precedenza, il che potrebbe consentire applicazioni in cui non è fattibile o necessario l’impiego di acceleratori di particelle di grandi dimensioni. “Tuttavia, la tecnica è ancora in una fase iniziale e le prestazioni degli acceleratori sperimentali di terahertz sono state limitate dalla sezione relativamente breve di interazione tra l’impulso di terahertz e gli elettroni“, afferma Kärtner.

Una prova di concetto

Per il nuovo dispositivo, il team ha utilizzato un impulso più lungo comprendente numerosi cicli di onde terahertz. Questo impulso multiciclo estende significativamente la sezione di interazione con le particelle. “Alimentiamo l’impulso terahertz multiciclo in una guida d’onda che è rivestita con un materiale dielettrico“, afferma Zhang. 

All’interno della guida d’onda, la velocità dell’impulso è ridotta. Un gruppo di elettroni viene sparato nella parte centrale della guida d’onda appena in tempo per viaggiare insieme all’impulso. “Questo schema aumenta la regione di interazione tra l’impulso terahertz e il gruppo di elettroni al range del centimetro – rispetto a pochi millimetri nei precedenti esperimenti“, riporta Zhang.

Il dispositivo non ha prodotto una grande accelerazione in laboratorio. Tuttavia, il team ha potuto dimostrare il concetto secondo il quale gli elettroni guadagnano energia nella guida d’onda. “È una prova di concetto. L’energia degli elettroni è aumentata da 55 a circa 56,5 kilo electron volt“, afferma Zhang. “Un’accelerazione più forte può essere ottenuta utilizzando un laser più forte per generare gli impulsi terahertz“.

Regime non relativistico

L’allestimento è principalmente progettato per il regime non relativistico, il che significa che gli elettroni hanno velocità che non sono così vicine alla velocità della luce. È interessante notare che questo regime consente un riciclo dell’impulso terahertz per un secondo stadio di accelerazione. 

Una volta che l’impulso terahertz lascia la guida d’onda ed entra nel vuoto, la sua velocità viene ripristinata alla velocità della luce“, spiega Zhang. “Ciò significa che l’impulso supera il gruppo di elettroni più lento in un paio di centimetri. Abbiamo posizionato una seconda guida d’onda alla giusta distanza in cui gli elettroni la immettono insieme all’impulso terahertz che viene nuovamente rallentato dalla guida d’onda. In questo modo, generiamo una seconda sezione di interazione, aumentando ulteriormente le energie degli elettroni“.

Nell’esperimento di laboratorio, solo una piccola parte dell’impulso terahertz potrebbe essere riciclata in questo modo. Ma l’esperimento dimostra che il riciclaggio è possibile in linea di principio e Zhang è fiducioso che la frazione riciclata possa essere sostanzialmente aumentata. 

Nicholas Matlis, scienziato senior e team leader del progetto nel gruppo CFEL, sottolinea: “Il nostro schema a cascata ridurrà notevolmente la domanda sul sistema laser richiesto per l’accelerazione elettronica nel regime non relativistico, aprendo nuove possibilità per la progettazione di acceleratori basati su terahertz“.

Credits

Il lavoro è finanziato dalla EU Synergy Grant AXSIS (frontiere in Attosecond X-ray Science: Imaging and Spectroscopy) presso CFEL. CFEL è una joint venture di DESY, l’Università di Amburgo e la Max Planck Society.

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