Создан действующий прототип модуля ускорителя микрочастиц длиной в 1,5 см
Приветствуем вас на страницах блога iCover! В это трудно поверить, но в качестве модуля ускорителя микрочастиц в терагерцевом диапазоне действительно может выступать устройство, длиной в 1,5 см и толщиной в 1 мм. О том, что представляет собой миниатюрный ускоритель и какие перспективы откроет его применение мы расскажем в нашей статье.
Для исследования фундаментальных свойств частиц на субатомном уровне был создан Большой Адронный Коллайдер (LHC). Но при всей грандиозности замысла и открывающихся перспективах, в решении множества практических вопросов, накопившихся в медицине, материаловедении, физике частиц, создании строительных рентгеновских лазеров возможности БАКа, по крайней мере на данном этапе, применить сложно. Ответить на них смогли бы помочь ускорители, работающий в диапазоне между инфракрасным и микроволновым излучением электромагнитного спектра.
Международная межотраслевая группа ученых создала первый прототип миниатюрного модульного ускорителя частиц, использующего в работе вместо волн радиочастотного диапазона терагерцевое излучение. Один действующий модуль ускорителя имеет длину всего 1,5 см и толщину в 1 мм. В разработке участвовали специалисты DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), Центра Изучения Лазеров на Свободных Электронах CFEL (Center for Free-Electron Laser Science), Массачусетского Технологического университета и Института Структуры и Динамики Материи им. Макса Планка (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter).
Большинство существующих линейных волновых ускорителей работают с электромагнитным излучением в диапазоне радиочастот. Так, к примеру ускоритель PETRA III, длиной в 2,3 км, созданный в DESY использует частоту 500 мегагерц. Именно благодаря использованию длин волн терагерцевого диапазона с периодом меньше фемтосекунды, поясняет член исследовательской группы профессор Франц Картнер (Franz Kаrtner), удалось уменьшить общие размеры конструкции более чем в 1000 раз. Экспериментальная XFEL терагерцевого диапазона, состоящая из отдельных модулей-ускорителей, как ожидается, будет меньше метра.
Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) генерируют вспышки лазерного света, отправляя электроны высокой скорости из ускорителя частиц по волновой траектории, в результате чего они испускают свет каждый раз, когда отклоняются. Точно такой же принцип будет использован в лазере "European XFEL", строящемся сегодня в рамках международного проекта при участии DESY. Сообщается, что общая длина объекта превысит три километра.
"Пропорционально уменьшению длины импульса возрастет его пиковая мощность и активность. Это позволит с помощью этих очень коротких импульсов получить новые данные о чрезвычайно быстрых химических процессах, таких как те, которые имеют место в фотосинтезе." – говорит Кертнер.
Для создания прототипа был разработан и использован специальный микроскопический модуль акселератора, работающий в диапазоне терагерцевого излучения. Электронную пушку, принимающую участие в эксперименте создавала группа CFEL под руководством профессора Дуэйна Миллера — члена директора Института Структуры и Динамики Материи им. Макса Планка. Электроны, попадающие внутрь ускорителя, разгоняются благодаря энергии волн терагерцевого излучения, резонирующего в камере ускорителя.
Главное достижение разработки на нынешнем этапе, по мнению ученых и конструкторов – это демонстрация работоспособности идеи. "Полученный нами в результате разгона прирост энергии в 7КэВ (килоэлектронвольт) трудно назвать убедительным достижением, но эксперимент показывает, что принцип действительно работает на практике," поясняет соавтор Арья Фаллахи (Arya Fallahi) из CFEL, проводившая теоретические расчеты. "Полученные результаты и теория подтверждают, что мы в состоянии достичь ускоряющего градиента до одного гигавольта на метр”… Это более чем в десять раз больше того, на что способны лучшие действующие модули ускорителей.
Технология более совершенного плазменного ускорителя, которая сейчас находится на стадии эксперимента, позволит получить еще более высокие ускорения, но потребует значительно более мощных лазеров, чем те, которые использует терагерцевый прототип.
Физики уверены, что технологии терагерцевого диапазона представляют большой интерес с точки зрения линейных ускорителей будущего для использования в физике частиц, как средство построения компактных рентгеновских лазеров и в качестве источников электронов, используемых в научных исследованиях физики материалов, медицинском оборудовании, использующем X -лучи и электронное излучение.
В ближайшие годы, команда CFEL в Гамбурге планирует построить компактный, экспериментальный лабораторный рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) с использованием принципов “терагерцевой” технологии. Поддержка проекта осуществляется на уровне Европейского исследовательского совета.
Понимание процессов фотосинтеза с учетом полученных данных, в свою очередь, откроет возможность создания эффективной искусственной модели этого процесса и нахождения путей к более рациональному преобразованию солнечной энергии, созданию новых технологий сокращения выбросов CO2. Помимо этого, исследователи заинтересованы в изучении других важнейших химических реакций. Как указывает Кертнер, "фотосинтез является лишь одним примером из многих возможных каталитических процессов, которые мы хотели бы исследовать." Компактный XFEL ускоритель может быть использован для углубленной медицинской визуализации в качестве более совершенного источника рентгеновского излучения.”
Подробнее об исследованиях объединенной группы ученых и миниатюрном ускорителе терагерцевого диапазона можно узнать на странице публикации.
Другие наши статьи
