Une équipe de scientifiques de DESY a construit un accélérateur de particules double miniature qui peut recycler une partie de l'énergie laser introduite dans le système pour augmenter l'énergie des électrons accélérés une seconde fois. L'appareil utilise un rayonnement térahertz à bande étroite qui se situe entre les fréquences infrarouge et radio du spectre électromagnétique, et un seul tube d'accélération ne mesure que 1,5 centimètre de long et 0,79 mm de diamètre. Dongfang Zhang et ses collègues du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) de DESY présentent leur accélérateur expérimental dans la revue Examen physique X .

La taille miniature de l'appareil est possible en raison de la courte longueur d'onde du rayonnement térahertz. « Les accélérateurs à base de térahertz sont devenus des candidats prometteurs pour les sources d'électrons compactes de nouvelle génération, " explique Franz Kärtner, Scientifique principal à DESY et responsable du groupe CFEL qui a construit l'appareil. Les scientifiques ont déjà expérimenté avec succès des accélérateurs térahertz, ce qui pourrait permettre des applications où les grands accélérateurs de particules ne sont tout simplement pas réalisables ou nécessaires. "Toutefois, la technique n'en est qu'à ses débuts, et les performances des accélérateurs térahertz expérimentaux ont été limitées par la section d'interaction relativement courte entre l'impulsion térahertz et les électrons, " dit Kartner.

Pour le nouvel appareil, l'équipe a utilisé une impulsion plus longue comprenant de nombreux cycles d'ondes térahertz. Cette impulsion multicycle étend considérablement la section d'interaction avec les particules. « Nous alimentons l'impulsion térahertz multicycle dans un guide d'ondes recouvert d'un matériau diélectrique », dit Zhang. Dans le guide d'ondes, la vitesse du pouls est réduite. Un tas d'électrons est projeté dans la partie centrale du guide d'ondes juste à temps pour voyager avec l'impulsion. "Ce schéma augmente la région d'interaction entre l'impulsion térahertz et le paquet d'électrons jusqu'à la gamme centimétrique, par rapport à quelques millimètres dans les expériences précédentes, " rapporte Zhang.

L'appareil n'a pas produit une grande accélération en laboratoire. Cependant, l'équipe a pu prouver le concept en montrant que les électrons gagnent de l'énergie dans le guide d'ondes. "C'est une preuve de concept. L'énergie des électrons est passée de 55 à environ 56,5 kilovolts d'électrons, " dit Zhang. " Une accélération plus forte peut être obtenue en utilisant un laser plus puissant pour générer les impulsions térahertz. "

Le montage est principalement conçu pour le régime non relativiste, ce qui signifie que les électrons ont des vitesses qui ne sont pas si proches de la vitesse de la lumière. De façon intéressante, ce régime permet un recyclage de l'impulsion térahertz pour un deuxième étage d'accélération. "Une fois que l'impulsion térahertz quitte le guide d'ondes et pénètre dans le vide, sa vitesse est réinitialisée à la vitesse de la lumière, " explique Zhang. " Cela signifie, l'impulsion dépasse le paquet d'électrons le plus lent de quelques centimètres. Nous avons placé un deuxième guide d'ondes juste à la bonne distance à laquelle les électrons y pénètrent avec l'impulsion térahertz qui est à nouveau ralentie par le guide d'ondes. De cette façon, nous générons une deuxième section d'interaction, augmenter davantage l'énergie des électrons."

Dans l'expérience en laboratoire, seule une petite fraction de l'impulsion térahertz a pu être recyclée de cette façon. Mais l'expérience montre que le recyclage est possible en principe, et Zhang est convaincu que la fraction recyclée peut être considérablement augmentée. Nicolas Mattlis, scientifique senior et chef d'équipe du projet au sein du groupe CFEL, souligne : « Notre système en cascade réduira considérablement la demande du système laser requis pour l'accélération des électrons dans le régime non relativiste, ouvrant de nouvelles possibilités pour la conception d'accélérateurs à base de térahertz."