Les scientifiques du SLAC ont inventé une structure d'accélérateur en cuivre qui pourrait rendre les futurs lasers à rayons X et accélérateurs pour la radiothérapie plus compacts. Il alimente le rayonnement térahertz dans une minuscule cavité pour stimuler les particules à des énergies énormes. Cette image montre une moitié de la structure avec la cavité dans la zone encerclée. En médaillon :Image au microscope électronique à balayage d'une section de la cavité, qui mesure 3,5 millimètres de long et 280 microns de large à son point le plus étroit. Crédit :Chris Pearson/Emilio Nanni/SLAC National Accelerator Laboratory
Les accélérateurs de particules génèrent des faisceaux d'électrons à haute énergie, protons et ions pour une large gamme d'applications, y compris les collisionneurs de particules qui font la lumière sur les composants subatomiques de la nature, Lasers à rayons X qui filment des atomes et des molécules lors de réactions chimiques et dispositifs médicaux pour le traitement du cancer.
En règle générale, plus l'accélérateur est long, plus il est puissant. Maintenant, une équipe dirigée par des scientifiques du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie a inventé un nouveau type de structure d'accélérateur qui offre un gain d'énergie 10 fois plus important sur une distance donnée que les structures conventionnelles. Cela pourrait rendre les accélérateurs utilisés pour une application donnée 10 fois plus courts.
L'idée clé derrière la technologie, décrit dans un article récent de Lettres de physique appliquée , est d'utiliser le rayonnement térahertz pour augmenter l'énergie des particules.
Dans les accélérateurs d'aujourd'hui, les particules tirent de l'énergie d'un champ radiofréquence (RF) introduit dans des structures accélératrices de forme spécifique, ou des cavités. Chaque cavité ne peut délivrer qu'un regain d'énergie limité sur une distance donnée, de très longues chaînes de cavités sont donc nécessaires pour produire des faisceaux à haute énergie.
Le térahertz et les ondes radio sont tous deux des rayonnements électromagnétiques ; ils diffèrent par leurs longueurs d'onde respectives. Parce que les ondes térahertz sont 10 fois plus courtes que les ondes radio, les cavités dans un accélérateur térahertz peuvent également être beaucoup plus petites. En réalité, celui inventé dans cette étude ne mesurait que 0,2 pouces de long.
L'un des défis majeurs de la construction de ces structures à cavités minuscules est de les usiner très précisément. Au cours des dernières années, Les équipes du SLAC ont développé un moyen de faire exactement cela. Au lieu d'utiliser le processus traditionnel consistant à empiler plusieurs couches de cuivre les unes sur les autres, ils ont construit la structure minuscule en usinant deux moitiés et en les liant ensemble.
La nouvelle structure produit également des impulsions de particules mille fois plus courtes que celles issues des structures classiques en cuivre, qui pourrait être utilisé pour produire des faisceaux qui pulsent à un rythme plus élevé et libèrent plus de puissance sur une période de temps donnée.
Prochain, les chercheurs prévoient de transformer l'invention en un canon à électrons, un appareil qui pourrait produire des faisceaux d'électrons incroyablement brillants pour la science de la découverte, y compris les lasers à rayons X et les microscopes électroniques de nouvelle génération qui nous permettraient de voir en temps réel comment la nature fonctionne au niveau atomique. Ces faisceaux pourraient également être utilisés pour le traitement du cancer.
Pour exploiter ce potentiel, il faut également poursuivre le développement des sources de rayonnement térahertz et leur intégration avec des accélérateurs avancés, comme celui décrit dans cette étude. Parce que le rayonnement térahertz a une longueur d'onde si courte, ses sources sont particulièrement difficiles à développer, et il y a peu de technologie disponible à l'heure actuelle. Les chercheurs du SLAC étudient à la fois la génération de térahertz par faisceau d'électrons et par laser pour fournir les puissances de crête élevées nécessaires pour transformer leurs recherches sur les accélérateurs en applications futures dans le monde réel.
