Publicado 23/03/2020 10:01CET

Un miniacelerador recicla energía y aumenta la velocidad de las partículas

Un miniacelerador recicla energía y aumenta la velocidad de las partículas
Un miniacelerador recicla energía y aumenta la velocidad de las partículas - DESY, Science Communication Lab

MADRID, 23 Mar. (EUROPA PRESS) -

Un acelerador de partículas doble en miniatura, creado en un laboratorio alemán, puede reciclar parte de la energía láser alimentada al sistema para aumentar por segunda vez la energía de los electrones acelerados.

El dispositivo utiliza radiación de terahercios de banda estrecha que se encuentra entre las frecuencias infrarroja y de radio en el espectro electromagnético, y un solo tubo acelerador tiene solo 1,5 centímetros de largo y 0,79 milímetros de diámetro. Dongfang Zhang y sus colegas del Centro para la Ciencia del láser de electrones libres (CFEL) en DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) presentan su acelerador experimental en la revista Physical Review 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 se han convertido en candidatos prometedores para las fuentes de electrones compactos de próxima generación", explica Franz Kärtner, científico principal de 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 experimentales de terahercios 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 comprende muchos ciclos de ondas terahercios. Este pulso multiciclo extiende significativamente la sección de interacción con las partículas. "Alimentamos el pulso de terahercios multiciclo en una guía de onda que está revestida con un material dieléctrico", dice Zhang en un comunicado. Dentro de la guía de ondas, la velocidad del pulso se reduce. Se dispara un montón de electrones a 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 al mostrar 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 kilovoltios de electrones", dice Zhang. "Se puede lograr una aceleración más fuerte usando 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 abandona la guía de ondas y entra al vacío, su velocidad se restablece a la velocidad de la luz", explica Zhang. "Esto significa que el pulso supera al grupo de electrones más lento en un par de centímetros. Colocamos una segunda guía de ondas a la distancia justa en la que los electrones ingresan junto con el pulso de terahercios que de nuevo es ralentizado por la guía de ondas. De esta manera, generamos una segunda sección de interacción, aumentando aún más las energías de los electrones ".

En el experimento de laboratorio, solo una pequeña fracción del pulso de terahercios podría reciclarse de esta manera. Pero el experimento muestra que el reciclaje es posible en principio, y Zhang confía en que la fracción reciclada se puede aumentar sustancialmente. Nicholas Mattlis, científico principal 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 ".

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