فناوری شتاب دهنده فشرده به نقطه عطف مهم انرژی می رسد

شتاب دهنده های ذرات پتانسیل زیادی برای کاربردهای نیمه هادی، تصویربرداری و درمان پزشکی و تحقیق در مواد، انرژی و پزشکی دارند. اما شتاب‌دهنده‌های معمولی به فضای آزاد زیادی نیاز دارند – کیلومتر – که آنها را گران می‌کند و حضور آنها را به تعداد انگشت شماری از آزمایشگاه‌ها و دانشگاه‌های ملی محدود می‌کند.

محققان دانشگاه تگزاس در آستین، چندین آزمایشگاه ملی، دانشگاه های اروپایی و شرکت TAU Systems مستقر در تگزاس. یک ذره فشرده را نشان داد شتاب دهنده کمتر از 20 متر طول دارد که یک پرتو الکترونی با انرژی 10 میلیارد الکترون ولت (10 GeV) تولید می کند. تنها دو شتاب دهنده دیگر در حال حاضر در ایالات متحده فعال هستند که می توانند به چنین انرژی های الکترونی بالایی برسند، اما هر دو تقریباً 3 کیلومتر طول دارند.

Björn “Manuel” Hegelich، دانشیار فیزیک دانشگاه UT و مدیر عامل TAU Systems، با اشاره به اندازه محفظه ای که پرتو در آن تولید شده است، گفت: “ما اکنون می توانیم به این انرژی ها در 10 سانتی متر برسیم.” او نویسنده اصلی مقاله اخیر است موفقیت خود را توصیف می کند در دفتر خاطرات ماده و تشعشع در حد افراط.

هگلیچ و تیمش در حال حاضر در حال بررسی استفاده از شتاب دهنده خود به نام شتاب دهنده لیزری میدان موج پیشرفته برای اهداف مختلف هستند. آنها امیدوارند که از آن برای آزمایش اینکه چگونه وسایل الکترونیکی متصل به فضا می توانند در برابر تشعشعات مقاومت کنند، برای تصویربرداری از ساختارهای داخلی سه بعدی طرح های جدید تراشه های نیمه هادی و حتی برای توسعه درمان های سرطان جدید و تکنیک های تصویربرداری پزشکی پیشرفته استفاده کنند.

این نوع شتاب دهنده همچنین می تواند برای هدایت دستگاه دیگری به نام اشعه ایکس استفاده شود لیزر الکترون آزاد، که می تواند فیلم های حرکت آهسته از فرآیندهای در مقیاس اتمی یا مولکولی را ضبط کند. نمونه هایی از این فرآیندها عبارتند از تداخلات دارویی با سلول ها، تغییر در باتری ها که می تواند باعث آتش گرفتن آنها شود، واکنش شیمیایی درون پنل های خورشیدی و پروتئین های ویروسی با آلوده کردن سلول ها شکل خود را تغییر می دهند.

مفهوم شتاب‌دهنده‌های لیزری Wakefield برای اولین بار در سال 1979 توصیف شد. یک لیزر بسیار قدرتمند به گاز هلیوم برخورد می‌کند، آن را به پلاسما گرم می‌کند و امواجی را ایجاد می‌کند که الکترون‌ها را از گاز خارج می‌کند و به سمت یک گاز پرانرژی می‌برد. پرتو الکترونی.

در طول چند دهه گذشته، گروه های تحقیقاتی مختلف نسخه های قدرتمندتری را توسعه داده اند. یک پیشرفت کلیدی توسط هگلیچ و تیمش به نانوذرات متکی بود. یک لیزر اضافی با یک صفحه فلزی در داخل سلول گاز برخورد می کند که جریانی از نانوذرات فلزی را تزریق می کند که انرژی ارسال شده به الکترون ها توسط امواج را افزایش می دهد.

لیزر مانند یک قایق است که از یک دریاچه عبور می کند و یک بیداری را پشت سر می گذارد و الکترون ها مانند موج سواران بر آن موج پلاسما سوار می شوند.

هگلیچ می گوید: «رفتن به یک موج بزرگ بدون جاروب شدن سخت است، بنابراین موج سواران بیدار توسط جت ها کشیده می شوند. «در شتاب‌دهنده ما، معادل جت‌ها نانوذراتی هستند که الکترون‌ها را دقیقاً در نقطه و زمان مناسب آزاد می‌کنند، بنابراین همه آنها در موج می‌نشینند. ما الکترون‌های بیشتری را در زمان و مکانی که می‌خواهیم در موج قرار می‌دهیم، به جای توزیع آماری در طول تعامل، و این سس مخفی ماست.»

برای این آزمایش، محققان از یکی از قوی‌ترین لیزرهای پالسی جهان به نام لیزر پتاوات تگزاس استفاده کردند که در UT قرار دارد و هر ساعت یک پالس نور فوق‌العاده شدید شلیک می‌کند.

یک پالس لیزر پتاوات دارای حدود 1000 برابر توان الکتریکی نصب شده در ایالات متحده است، اما تنها 150 فمتوثانیه، کمتر از یک میلیاردم مدت زمان رعد و برق دوام می آورد.

هدف بلندمدت تیم مدیریت سیستم خود با a لیزر آنها در حال حاضر در حال توسعه نوعی هستند که روی یک میز قرار می گیرد و می تواند هزاران بار در ثانیه شلیک کند و کل شتاب دهنده را بسیار فشرده تر و قابل استفاده در طیف وسیع تری از تنظیمات نسبت به شتاب دهنده های معمولی می کند.

اولین همکار نویسندگان این مطالعه کنستانتین آنیکولی، نویسنده مسئول در حال حاضر در دانشگاه هاینریش هاینه در دوسلدورف، آلمان هستند. و Thanh Ha، دانشجوی دکتری UT و محقق در TAU Systems. سایر اعضای هیئت علمی دانشگاه UT پروفسور تاد دیت مایر و مایکل داونر هستند.

Hegelich و Aniculaesei یک درخواست ثبت اختراع ارائه کردند که دستگاه و روش تولید نانوذرات در یک سلول گاز را توصیف می کرد. TAU Systems که از آزمایشگاه هگلیچ سرچشمه می گیرد، دارای مجوز انحصاری از دانشگاه برای این حق اختراع اصلی است.