یک دستگاه لیزری جدید که هم می تواند الکترون ها را در فواصل حدود یک میلی متری محدود کند و هم شتاب دهد، توسط محققان آمریکایی ساخته شده است. با ترکیب پیشرفت‌های علم نانو، لیزر و فناوری خلاء، پیتون برادوس و همکارانش در دانشگاه استنفورد می‌گویند که تا به امروز موفق‌ترین شتاب‌دهنده لیزر دی‌الکتریک (DLA) را توسعه داده‌اند.
علاوه بر هدایت ذرات باردار مانند الکترون ها به انرژی های جنبشی بالا، یک شتاب دهنده مفید نیز باید بتواند ذرات را در یک پرتو باریک محدود کند. علاوه بر این، پرتو باید تا حد امکان به تک انرژی نزدیک باشد.
در تأسیسات مدرن، این کار معمولاً با استفاده از حفره‌های فرکانس رادیویی (RF) که با مس پوشانده شده‌اند یا اخیراً با یک ابررسانا مانند نیوبیم انجام می‌شود. هنگامی که توسط سیگنال های RF قدرتمند هدایت می شود، این حفره های تشدید ولتاژهای بسیار بالایی ایجاد می کنند که ذرات را با انرژی های بسیار خاصی شتاب می دهند. با این حال، محدودیت های فیزیکی برای حداکثر انرژی ذرات وجود دارد که می توان از این طریق به دست آورد.
برادوس توضیح می‌دهد: «بزرگ‌تر کردن میدان‌های الکترومغناطیسی می‌تواند منجر به آسیب به دیواره‌های [حفره] شود که دستگاه را خراب می‌کند». این در حال حاضر یک محدودیت عمده در تمام شتاب دهنده های معمولی است و گرادیان شتاب ایمن را به ده ها مگاالکترون ولت بر متر محدود می کند. در واقع، این دلیل اصلی بزرگ‌تر شدن و گران‌تر شدن شتاب‌دهنده‌ها برای دستیابی به انرژی ذرات بالاتر است.
طرح های جایگزین شتاب دهنده
برای ایجاد دستگاه‌های فشرده‌تر، محققان در سراسر جهان در حال بررسی انواع فناوری‌های شتاب‌دهنده جایگزین با هدف دستیابی به بالاترین گرادیان شتاب ممکن در کوتاه‌ترین فاصله هستند.
یکی از فناوری‌های امیدوارکننده DLA است که برای اولین بار در دهه 1950 طراحی شد. به جای هدایت سیگنال RF به یک حفره رسانا، DLA شامل شلیک لیزر در یک کانال کوچک در یک ماده دی الکتریک است. این یک میدان الکتریکی متناوب در داخل کانال ایجاد می کند که به عنوان یک حفره تشدید عمل می کند. با بهینه سازی نانوساختار حفره و با زمان بندی دقیق زمانی که الکترون ها از طریق کانال فرستاده می شوند، ذرات شتاب می گیرند.
در حالی که فیزیک این تنظیم به طور کلی شبیه به طرح‌های معمولی‌تر شتاب‌دهنده است، شیب شتاب بسیار بالاتری را ارائه می‌دهد. این می تواند برای کوچک کردن اندازه شتاب دهنده ها - حداقل در اصل - استفاده شود.
برادوس توضیح می‌دهد: «میدان‌هایی که این دی‌الکتریک‌ها می‌توانند از لیزر زنده بمانند، یک تا دو مرتبه بزرگ‌تر از آنچه مس می‌تواند از امواج RF تحمل کند، است، و بنابراین، از نظر تئوری، می‌تواند یک شیب شتاب یک تا دو مرتبه بزرگ‌تر داشته باشد». با این حال، او اشاره می کند که کوچک شدن عرض حفره به اندازه شش مرتبه بزرگی، چالش هایی را ایجاد می کند - از جمله اینکه چگونه الکترون ها را در یک پرتو محصور نگه داریم و آنها را به دیواره های حفره برخورد نکنیم.
اکنون، Broaddus و همکارانش با استفاده از سه پیشرفت تکنولوژیک به این چالش پرداخته‌اند. اینها توانایی ایجاد نانوساختارهای نیمه هادی بسیار دقیق هستند. توانایی تولید پالس های لیزری فمتوثانیه ای روشن و منسجم با نرخ تکرار پایدار؛ و توانایی حفظ خلاء فوق العاده بالا در حفره های نیمه هادی به طول میلی متر.
نانوساختارها و پالس های جدید
با طراحی دقیق نانوساختارها و استفاده از پالس‌های لیزری با شکل خاص، تیم توانست میدان‌های الکتریکی را در حفره جدید خود ایجاد کند که الکترون‌ها را به یک پرتو متمرکز می‌کند.
این به تیم اجازه داد تا یک پرتو محدود از الکترون ها را در فاصله 0.708 میلی متر شتاب دهد و انرژی آن را 24 کیلو ولت افزایش دهد. برادوس توضیح می دهد: «این نشان دهنده یک مرتبه افزایش در هر دو رقم شایستگی در مقایسه با شتاب دهنده های قبلی است.
شتاب دهنده روی یک تراشه ایجاد شده توسط الگوریتم طراحی معکوس
بر اساس آخرین دستاورد خود، این تیم مطمئن هستند که DLA ها می توانند توانایی محققان را برای دستیابی به انرژی های الکترونی زیر نسبیتی به میزان زیادی بهبود بخشند. Broaddus توضیح می‌دهد: «اکنون می‌توان DLAها را به عنوان یک فناوری شتاب‌دهنده واقعی در نظر گرفت، جایی که می‌توانیم پارامترهای شتاب‌دهنده سنتی را از دستگاه‌های خود استخراج کنیم و می‌توانیم آنها را با سایر فناوری‌های شتاب‌دهنده مقایسه کنیم.
به نوبه خود، این پیشرفت ها می تواند راه را برای اکتشافات جدید در فیزیک بنیادی هموار کند و حتی ممکن است مزایای جدیدی در زمینه هایی از جمله صنعت و پزشکی ارائه دهد.
تحقیق در شرح داده شده است Physical Review Letters به.
- محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
- PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
- PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
- PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
- منبع: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
