Физики из синхротронного центра DESY разработали новый ускоритель для электронов, в котором для передачи энергии частицам используется терагерцовое излучение. Размеры самого ускорителя при этом составляют примерно 1,5 сантиметра в длину и около миллиметра в ширину. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications, кратко о нем рассказывает пресс-релиз DESY.

Устройство представляет собой медную трубку внутренним диаметром около миллиметра, приплюснутую с одного конца. Внутри нее находится кварцевая трубка, толщиной 270 микрометров, в центре которого проходит вакуумированный канал. 

В эксперименте по ускорению ученые подавали в миниатюрное устройство пучок электронов через небольшое отверстие с одной стороны трубки. С другой стороны, с помощью зеркала с отверстием посередине, в ускоритель направлялся пучок терагерцового излучения. Излучение проходило через всю длину канала и отражалось от стенки на другом конце, после чего двигалось сонаправлено с пучком электронов. В результате этого и происходило ускорение частиц.

Принципиальная схема ускорителя. Изображение: Emilio A. Nanni еt al. Nature Communications, 2015

Само ускорение происходило на длине примерно в три миллиметра — в результате него электроны, имевшие начальную энергию 59 килоэлектронвольт, получали дополнительную энергию в семь килоэлектронвольт. Эти небольшие величины сопоставимы с энергиями частиц в электронно-лучевой трубке телевизора, однако показывают, что такой способ ускорения работает. В теории, подобное устройство может увеличивать энергии частиц вплоть до единиц гигаэлектронвольт при метровой эффективной длине. 

Ключевым в миниатюризации устройства стало использование терагерцового излучения с длиной волны порядка одного миллиметра. Исследователи указывают, что аналогичный по принципу работы ускоритель, PETRA III использует излучение с длиной волны в тысячу раз больше (частота около 500 мегагерц) — поэтому требует более крупную установку. Общая длина PETRA — около 2,3 километра.

Возможным применением для миниатюрных ускорителей может стать создание компактных лазеров на свободных электронах. Такие устройства способны создавать лазерное рентгеновское излучение в импульсном режиме. Подобные «вспышки» можно применять для исследования (своеобразного «фотографирования») быстротекущих химических реакций, например, тех, которые вовлечены в процесс фотосинтеза.

Автор: Владимир Королёв