Les scientifiques de DESY ont atteint un nouveau record mondial pour un type expérimental d'accélérateur de particules miniature :pour la première fois, un accélérateur alimenté en térahertz a plus que doublé l'énergie des électrons injectés. À la fois, la configuration a considérablement amélioré la qualité du faisceau d'électrons par rapport aux expériences précédentes avec la technique, comme Dongfang Zhang et ses collègues du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) de DESY rapportent dans le journal Optique . « Nous avons atteint les meilleurs paramètres de faisceau à ce jour pour les accélérateurs térahertz, " dit Zhang.

"Ce résultat représente une étape cruciale pour la mise en œuvre pratique d'accélérateurs térahertz, " a souligné Franz Kärtner, qui dirige le groupe optique ultrarapide et rayons X de DESY. Le rayonnement térahertz se situe entre les fréquences infrarouges et micro-ondes dans le spectre électromagnétique et promet une nouvelle génération d'accélérateurs de particules compacts. "La longueur d'onde du rayonnement térahertz est environ cent fois plus courte que les ondes radio actuellement utilisées pour accélérer les particules, " a expliqué Kärtner. " Cela signifie que les composants de l'accélérateur peuvent également être construits pour être environ cent fois plus petits. la science et peut-être même pour l'imagerie médicale.La technologie est actuellement en cours de développement.

Puisque les ondes térahertz oscillent si vite, chaque composant et chaque étape doit être synchronisé avec précision. "Par exemple, pour obtenir le meilleur gain d'énergie, les électrons doivent frapper le champ térahertz exactement pendant son demi-cycle d'accélération, " a expliqué Zhang. Dans les accélérateurs, les particules ne volent généralement pas dans un faisceau continu, mais sont emballés en grappes. En raison de l'évolution rapide du domaine, dans les accélérateurs térahertz, ces paquets doivent être très courts pour assurer des conditions d'accélération uniformes le long du paquet.

"Dans les expériences précédentes, les paquets d'électrons étaient trop longs", dit Zhang. "Puisque le champ térahertz oscille si rapidement, certains des électrons du paquet ont été accélérés, tandis que d'autres ont même été ralentis. Donc, au total, il n'y avait qu'un gain d'énergie moyen modéré, et, ce qui est plus important, une large diffusion énergétique, résultant en ce que nous appelons une mauvaise qualité de faisceau." Pour aggraver les choses, cet effet a fortement augmenté l'émittance, une mesure de la façon dont un faisceau de particules est groupé transversalement. Le plus serré, mieux c'est, plus l'émittance est petite.

Pour améliorer la qualité du faisceau, Zhang et ses collègues ont construit un accélérateur en deux étapes à partir d'un appareil polyvalent qu'ils avaient développé plus tôt :l'accélérateur et manipulateur d'électrons térahertz segmentés (STEAM) peut compresser, se concentrer, accélérer et analyser des paquets d'électrons avec un rayonnement térahertz. Les chercheurs ont combiné deux appareils STEAM en ligne. Ils ont d'abord compressé les paquets d'électrons entrants d'environ 0,3 millimètre de long à seulement 0,1 millimètre. Avec le deuxième appareil STEAM, ils ont accéléré les grappes compressées. "Ce schéma nécessite un contrôle au niveau des quadrillions de seconde, que nous avons atteint, " a déclaré Zhang " Cela a conduit à une réduction de quatre fois de la propagation de l'énergie et à six fois l'émittance, produisant les meilleurs paramètres de faisceau d'un accélérateur térahertz jusqu'à présent."

Le gain d'énergie net des électrons injectés avec une énergie de 55 kiloélectronvolts (keV) était de 70 keV. « C'est la première augmentation d'énergie supérieure à 100 % dans un accélérateur alimenté en térahertz, " a souligné Zhang. Le dispositif couplé a produit un champ d'accélération avec une force maximale de 200 millions de volts par mètre (MV/m) - proche des accélérateurs conventionnels les plus puissants de pointe. Pour les applications pratiques, cela doit encore être considérablement amélioré "Nos travaux montrent que même une compression plus de trois fois plus forte des paquets d'électrons est possible. Avec une énergie térahertz plus élevée, des gradients d'accélération en régime de gigavolts par mètre semblent réalisables, " résume Zhang. " Le concept térahertz apparaît ainsi de plus en plus prometteur comme une option réaliste pour la conception d'accélérateurs d'électrons compacts. "