Un equipo de científicos de DESY ha construido un acelerador de partículas doble en miniatura que puede reciclar parte de la energía láser alimentada al sistema para aumentar la energía de los electrones acelerados por segunda vez. El dispositivo utiliza radiación de terahercios de banda estrecha que se encuentra entre las frecuencias infrarrojas y de radio en el espectro electromagnético. y un solo tubo de aceleración tiene solo 1,5 centímetros de largo y 0,79 milímetros de diámetro. Dongfang Zhang y sus colegas del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en DESY presentan su acelerador experimental en la revista Revisión física X .

El tamaño en miniatura del dispositivo es posible debido a la longitud de onda corta de la radiación de terahercios. "Los aceleradores basados ​​en terahercios han surgido como candidatos prometedores para las fuentes de electrones compactos de próxima generación, "explica Franz Kärtner, Científico líder en DESY y jefe del grupo CFEL que construyó el dispositivo. Los científicos han experimentado con éxito con aceleradores de terahercios antes, lo que podría permitir aplicaciones donde los aceleradores de partículas grandes simplemente no son factibles o necesarios. "Sin embargo, la técnica aún se encuentra en una etapa temprana, y el rendimiento de los aceleradores de terahercios experimentales se ha visto limitado por la sección relativamente corta de interacción entre el pulso de terahercios y los electrones, "dice Kärtner.

Para el nuevo dispositivo, el equipo utilizó un pulso más largo que comprendía muchos ciclos de ondas de terahercios. Este pulso multiciclo extiende significativamente la sección de interacción con las partículas. "Introducimos el pulso multiciclo de terahercios en una guía de ondas que está revestida con un material dieléctrico", dice Zhang. Dentro de la guía de ondas, la velocidad del pulso se reduce. Se dispara un montón de electrones hacia la parte central de la guía de ondas justo a tiempo para viajar junto con el pulso. "Este esquema aumenta la región de interacción entre el pulso de terahercios y el grupo de electrones en el rango de centímetros, en comparación con unos pocos milímetros en experimentos anteriores, "informa Zhang.

El dispositivo no produjo una gran aceleración en el laboratorio. Sin embargo, el equipo pudo probar el concepto mostrando que los electrones ganan energía en la guía de ondas. "Es una prueba de concepto. La energía de los electrones aumentó de 55 a aproximadamente 56,5 kilo electronvoltios, ", dice Zhang." Se puede lograr una aceleración más fuerte utilizando un láser más fuerte para generar los pulsos de terahercios ".

La configuración está diseñada principalmente para el régimen no relativista, lo que significa que los electrones tienen velocidades que no están tan cerca de la velocidad de la luz. Curiosamente, este régimen permite reciclar el pulso de terahercios para una segunda etapa de aceleración. "Una vez que el pulso de terahercios sale de la guía de ondas y entra en el vacío, su velocidad se restablece a la velocidad de la luz, "explica Zhang". Esto significa, el pulso supera al grupo de electrones más lento en un par de centímetros. Colocamos una segunda guía de ondas a la distancia justa a la que entran los electrones junto con el pulso de terahercios, que nuevamente es ralentizado por la guía de ondas. De este modo, generamos una segunda sección de interacción, impulsando aún más las energías de los electrones ".

En el experimento de laboratorio, sólo una pequeña fracción del pulso de terahercios podría reciclarse de esta forma. Pero el experimento muestra que el reciclaje es posible en principio, y Zhang confía en que la fracción reciclada se pueda incrementar sustancialmente. Nicolás Mattlis, científico senior y líder del equipo del proyecto en el grupo CFEL, enfatiza:"Nuestro esquema en cascada reducirá en gran medida la demanda del sistema láser requerido para la aceleración de electrones en el régimen no relativista, abriendo nuevas posibilidades para el diseño de aceleradores basados ​​en terahercios ".