Os cientistas do DESY alcançaram um novo recorde mundial para um tipo experimental de acelerador de partículas em miniatura:pela primeira vez, um acelerador movido a terahertz mais do que dobrou a energia dos elétrons injetados. Ao mesmo tempo, a configuração melhorou significativamente a qualidade do feixe de elétrons em comparação com experimentos anteriores com a técnica, como Dongfang Zhang e seus colegas do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) no DESY reportam na revista Optica . "Alcançamos os melhores parâmetros de feixe já feitos para aceleradores terahertz, "disse Zhang.

"Este resultado representa um passo crítico para a implementação prática de aceleradores movidos a terahertz, "enfatizou Franz Kärtner, que lidera o grupo de ótica ultrarrápida e raios-X no DESY. A radiação Terahertz fica entre as frequências de infravermelho e de microondas no espectro eletromagnético e promete uma nova geração de aceleradores de partículas compactas. "O comprimento de onda da radiação terahertz é cerca de cem vezes menor do que as ondas de rádio usadas atualmente para acelerar partículas, "explicou Kärtner." Isso significa que os componentes do acelerador também podem ser construídos para ser cerca de cem vezes menores. "A abordagem terahertz promete aceleradores do tamanho de um laboratório que permitirão aplicações completamente novas, por exemplo, como fontes compactas de raios-X para materiais ciência e talvez até mesmo para imagens médicas. A tecnologia está em desenvolvimento.

Como as ondas terahertz oscilam tão rápido, cada componente e cada etapa devem ser sincronizados com precisão. "Por exemplo, para alcançar o melhor ganho de energia, os elétrons têm que atingir o campo de terahertz exatamente durante seu meio ciclo de aceleração, "explicou Zhang. Nos aceleradores, as partículas geralmente não voam em um feixe contínuo, mas são embalados em cachos. Por causa do campo em rápida mudança, em aceleradores terahertz, esses cachos têm que ser muito curtos para garantir condições de aceleração uniformes ao longo do cacho.

"Em experimentos anteriores, os feixes de elétrons eram muito longos", disse Zhang. "Como o campo terahertz oscila tão rapidamente, alguns dos elétrons do grupo foram acelerados, enquanto outros foram até diminuídos. Então, no total, houve apenas um ganho médio de energia moderado, e, o que é mais importante, uma ampla propagação de energia, resultando no que chamamos de baixa qualidade de feixe. "Para piorar as coisas, este efeito aumentou fortemente a emitância, uma medida de quão bem um feixe de partículas é agrupado transversalmente. O mais apertado, quanto melhor - menor será a emitância.

Para melhorar a qualidade do feixe, Zhang e seus colegas construíram um acelerador de duas etapas a partir de um dispositivo multifuncional que haviam desenvolvido anteriormente:o acelerador e manipulador de elétrons Terahertz segmentado (STEAM) pode comprimir, foco, acelere e analise feixes de elétrons com radiação terahertz. Os pesquisadores combinaram dois dispositivos STEAM em linha. Eles primeiro comprimiram os feixes de elétrons de entrada de cerca de 0,3 milímetros de comprimento para apenas 0,1 milímetros. Com o segundo dispositivo STEAM, eles aceleraram os cachos comprimidos. "Este esquema requer controle no nível de quatrilionésimos de segundo, que alcançamos, "disse Zhang" Isso levou a uma redução de quatro vezes na propagação de energia e melhorou a emitância seis vezes, produzindo os melhores parâmetros de feixe de um acelerador terahertz até agora. "

O ganho líquido de energia dos elétrons que foram injetados com uma energia de 55 quiloelétrons volts (keV) foi de 70 keV. "Este é o primeiro aumento de energia superior a 100 por cento em um acelerador movido a terahertz, "enfatizou Zhang. O dispositivo acoplado produziu um campo de aceleração com uma força de pico de 200 milhões de Volts por metro (MV / m) - próximo aos aceleradores convencionais mais fortes de última geração. Para aplicações práticas, isso ainda precisa ser significativamente melhorado . "Nosso trabalho mostra que mesmo uma compressão mais de três vezes mais forte dos feixes de elétrons é possível. Junto com uma energia terahertz mais alta, gradientes de aceleração no regime de gigavolts por metro parecem viáveis, "resumiu Zhang." O conceito de terahertz, portanto, parece cada vez mais promissor como uma opção realista para o projeto de aceleradores de elétrons compactos. "