Los científicos de DESY han logrado un nuevo récord mundial para un tipo experimental de acelerador de partículas en miniatura:por primera vez, un acelerador accionado por terahercios duplicaba con creces la energía de los electrones inyectados. Al mismo tiempo, la configuración mejoró significativamente la calidad del haz de electrones en comparación con experimentos anteriores con la técnica, como Dongfang Zhang y sus colegas del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en el informe DESY en la revista Optica . "Hemos logrado los mejores parámetros de haz hasta ahora para aceleradores de terahercios, "dijo Zhang.

"Este resultado representa un paso crítico hacia la implementación práctica de aceleradores de terahercios, "enfatizó Franz Kärtner, quien dirige el grupo de óptica ultrarrápida y rayos X de DESY. La radiación de terahercios se encuentra entre las frecuencias infrarrojas y de microondas en el espectro electromagnético y promete una nueva generación de aceleradores de partículas compactos. "La longitud de onda de la radiación en terahercios es unas cien veces más corta que las ondas de radio que se utilizan actualmente para acelerar las partículas, ", explicó Kärtner." Esto significa que los componentes del acelerador también se pueden construir para que sean unas cien veces más pequeños ". El enfoque de terahercios promete aceleradores del tamaño de un laboratorio que permitirán aplicaciones completamente nuevas, por ejemplo, como fuentes compactas de rayos X para materiales ciencia y tal vez incluso para imágenes médicas. La tecnología está actualmente en desarrollo.

Dado que las ondas de terahercios oscilan tan rápido, cada componente y cada paso deben estar sincronizados con precisión. "Por ejemplo, para lograr la mejor ganancia de energía, los electrones tienen que golpear el campo de terahercios exactamente durante su medio ciclo de aceleración, ", explicó Zhang. En aceleradores, las partículas generalmente no vuelan en un haz continuo, pero están empaquetados en racimos. Debido al campo que cambia rápidamente, en aceleradores de terahercios, estos racimos tienen que ser muy cortos para garantizar condiciones de aceleración uniformes a lo largo del racimo.

"En experimentos anteriores, los grupos de electrones eran demasiado largos", dijo Zhang. "Dado que el campo de terahercios oscila tan rápido, algunos de los electrones del grupo se aceleraron, mientras que otros incluso se ralentizaron. Entonces, en total, solo hubo una ganancia de energía promedio moderada, y, lo que es más importante, una amplia propagación de energía, lo que da como resultado lo que llamamos una calidad de haz deficiente ". Para empeorar las cosas, este efecto incrementó fuertemente la emitancia, una medida de qué tan bien se agrupa transversalmente un haz de partículas. Cuanto más apretado, cuanto mejor, menor es la emitancia.

Para mejorar la calidad del haz, Zhang y sus colegas construyeron un acelerador de dos pasos a partir de un dispositivo multipropósito que habían desarrollado anteriormente:el acelerador y manipulador de electrones segmentados de terahercios (STEAM) puede comprimir, atención, Acelere y analice grupos de electrones con radiación de terahercios. Los investigadores combinaron dos dispositivos STEAM en línea. Primero comprimieron los grupos de electrones entrantes de aproximadamente 0,3 milímetros de longitud a solo 0,1 milímetros. Con el segundo dispositivo STEAM, aceleraron los racimos comprimidos. "Este esquema requiere un control a nivel de cuadrillonésimas de segundo, que logramos, "dijo Zhang" Esto llevó a una reducción de cuatro veces la distribución de energía y mejoró seis veces la emitancia, produciendo los mejores parámetros de haz de un acelerador de terahercios hasta ahora ".

La ganancia neta de energía de los electrones que se inyectaron con una energía de 55 kiloelectrones voltios (keV) fue de 70 keV. "Este es el primer aumento de energía superior al 100 por ciento en un acelerador de terahercios, "enfatizó Zhang. El dispositivo acoplado produjo un campo de aceleración con una fuerza máxima de 200 millones de voltios por metro (MV / m), cerca de los aceleradores convencionales más potentes de última generación. Para aplicaciones prácticas, esto aún debe mejorarse significativamente . "Nuestro trabajo muestra que es posible incluso una compresión más de tres veces más fuerte de los grupos de electrones. Junto con una energía de terahercios más alta, los gradientes de aceleración en el régimen de gigavoltios por metro parecen factibles, "resumió Zhang." El concepto de terahercios, por lo tanto, parece cada vez más prometedor como una opción realista para el diseño de aceleradores de electrones compactos ".