Uma equipe de cientistas do DESY construiu um acelerador de partículas duplas em miniatura que pode reciclar parte da energia do laser alimentada no sistema para aumentar a energia dos elétrons acelerados uma segunda vez. O dispositivo usa radiação terahertz de banda estreita que fica entre as frequências infravermelhas e de rádio no espectro eletromagnético, e um único tubo de aceleração tem apenas 1,5 centímetros de comprimento e 0,79 milímetros de diâmetro. Dongfang Zhang e seus colegas do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) no DESY apresentam seu acelerador experimental na revista Revisão Física X .

O tamanho diminuto do dispositivo é possível devido ao curto comprimento de onda da radiação terahertz. "Aceleradores baseados em Terahertz surgiram como candidatos promissores para fontes compactas de elétrons de próxima geração, "explica Franz Kärtner, Cientista líder do DESY e chefe do grupo CFEL que construiu o dispositivo. Os cientistas já experimentaram com sucesso com aceleradores terahertz antes, o que poderia permitir aplicações onde grandes aceleradores de partículas simplesmente não são viáveis ​​ou necessários. "Contudo, a técnica ainda está em um estágio inicial, e o desempenho de aceleradores de terahertz experimentais foi limitado pela seção relativamente curta de interação entre o pulso de terahertz e os elétrons, "diz Kärtner.

Para o novo dispositivo, a equipe usou um pulso mais longo compreendendo muitos ciclos de ondas terahertz. Este pulso multiciclo estende significativamente a seção de interação com as partículas. "Alimentamos o pulso de terahertz multiciclo em um guia de onda que é revestido com um material dielétrico", diz Zhang. Dentro do guia de ondas, a velocidade do pulso é reduzida. Um monte de elétrons é disparado para a parte central do guia de ondas a tempo de viajar junto com o pulso. "Este esquema aumenta a região de interação entre o pulso de terahertz e o feixe de elétrons para a faixa de centímetros - em comparação com alguns milímetros em experimentos anteriores, "relata Zhang.

O dispositivo não produziu uma grande aceleração no laboratório. Contudo, a equipe pôde provar o conceito mostrando que os elétrons ganham energia no guia de ondas. “É uma prova de conceito. A energia dos elétrons aumentou de 55 para cerca de 56,5 quilo elétron-volts, "diz Zhang." Uma aceleração mais forte pode ser alcançada usando um laser mais forte para gerar os pulsos de terahertz. "

A configuração é projetada principalmente para o regime não relativístico, o que significa que os elétrons têm velocidades que não são tão próximas à velocidade da luz. Interessantemente, esse regime permite a reciclagem do pulso de terahertz para um segundo estágio de aceleração. "Uma vez que o pulso de terahertz deixa o guia de ondas e entra no vácuo, sua velocidade é redefinida para a velocidade da luz, "explica Zhang." Isso significa, o pulso ultrapassa o feixe de elétrons mais lento em alguns centímetros. Colocamos um segundo guia de ondas na distância certa para que os elétrons entrem nele junto com o pulso de terahertz, que é novamente desacelerado pelo guia de ondas. Desta maneira, geramos uma segunda seção de interação, aumentando ainda mais as energias dos elétrons. "

No experimento de laboratório, apenas uma pequena fração do pulso de terahertz poderia ser reciclada dessa maneira. Mas o experimento mostra que a reciclagem é possível em princípio, e Zhang está confiante de que a fração reciclada pode ser substancialmente aumentada. Nicholas Mattlis, cientista sênior e líder da equipe do projeto no grupo CFEL, enfatiza:"Nosso esquema em cascata diminuirá muito a demanda do sistema de laser necessário para a aceleração de elétrons no regime não relativístico, abrindo novas possibilidades para o design de aceleradores baseados em terahertz. "