Немецкие физики
"ужали" электронную пушку до размеров коробка
23.11.2016
Физики
из Немецкого синхротронного центра смогли ужать простейший ускоритель
электронов до размеров спичечного коробка, использовав
Т-лучи для ускорения частиц до сверхвысоких скоростей, говорится в статье,
опубликованной в журнале Optica.
"Электронные
пушки используются для получения видеороликов и фотографий с атомным
разрешением. Используя подобные миниатюрные электронные пушки, биологи смогут
прикоснуться к тайнам работы "живых" машин, в том числе и тех
структур, которые отвечают за фотосинтез в растениях. А физики, в свою очередь,
смогут лучше понимать то, что происходит с материалами на атомном уровне",
— заявил Франц Кертнер (Franz
Kaertner) из Немецкого синхротронного центра DESY в
Гамбурге.
Большинство
современных ускорителей, кроме их экзотических "кильватерных" и
лазерных разновидностей, используют радиоволны для передачи энергии разгоняемым
частицам. Очень большая длина волны при этом является одной из причин того,
почему современные коллайдеры приближаются по площади
к небольшому государству.
Физики
из Германского синхротронного центра DESY и их коллеги из Америки под
руководством Кертнера пытаются использовать для
разгона заряженных частиц другой тип волн – так называемое терагерцовое
излучение. В октябре они уже представили первый прототип ускорителя электронов
на базе Т-лучей, который смогли ужать до размеров спички, благодаря необычным
свойствам этих волн.
Как
объясняют ученые, терагерцовые волны занимают
промежуточное положение между светом и классическими радиоволнами, обладая
положительными чертами тех и других. В частности, они так же легко проникают
через материю, как радиоволны, и при этом не ионизирует ее. Это позволяет
использовать подобные лучи в качестве безопасной замены для рентгена, как
основу для сверхскоростных систем связи и ряда других целей.
Главным
достоинством этого излучения в контексте ускорения частиц является то, что
длина его волн в тысячу раз короче, чем у тех радиоволн, которые используются в
современных ускорителях. Это позволяет, в теории, уменьшить размеры всех компонентов
в аналогичное число раз, однако сначала физикам нужно приспособить терагерцовые волны для работы в ускорителях.
Первый
"спичечный" ускоритель Кертнера и его
коллег обладал миниатюрными размерами, однако "качество"
вырабатываемого потока электронов – его кучность и разброс в энергиях частиц –
было слишком низким для того, чтобы такие устройства можно было использовать
для ведения научных экспериментов.
Поэтому
немецкие физики фактически создали полностью новый ускоритель, лишенный этих
недостатков, радикально поменяв его конструкцию и изменяв принцип разгона
электронов.
"Наше
устройство представляет собой тонкую пленку из меди, которая способна
вырабатывать электроны, если мы облучаем ее с одной стороны пучками
ультрафиолетового излучения. С другой стороны ее бомбардируют импульсы терагерцового лазера, которые движутся к электронам через специальный световод, чье
устройство способствовало максимальному взаимодействию электронов с Т-лучами.
Высокая плотность электронов и минимальный разброс энергий позволяет уже сейчас
использовать этот ускоритель для получения фотографий", — добавляет Ронни Хуан (Ronny Huang), коллега Кертнера.
По
словам разработчиков ускорителя, все это позволяет достичь рекордной скорости
ускорения, которая примерно в два раза превосходит показатели самых лучших
электронных пушек. Это позволяет использовать подобные "спичечные"
ускорители не только для медицинских исследований и материаловедческих
экспериментов, но и в качестве "системы зажигания" в мощнейших рентгеновских
лазерах, для работы которых нужны крайне кучные и энергетически однородные
пучки электронов.