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Ce petit accélérateur de particules recycle l'énergie avec des ondes térahertz

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Une équipe de scientifiques a construit un double accélérateur de particules miniature qui recycle l'énergie laser initialement introduite dans le système pour augmenter l'énergie des électrons pour une seconde fois, selon une nouvelle étude publiée dans la revueExamen physique X.

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L'accélérateur de particules recycle l'énergie

Utilisant un rayonnement térahertz à bande étroite situé entre les fréquences infrarouge et radio dans le spectre électromagnétique, l'appareil lui-même est un objet unique de 1,5 cm de long et 0,79 mm de diamètre. Dongfang Zhang et ses collègues du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) à DESY ont dévoilé leur accélérateur expérimental dans la revueExamen physique X.

La petite taille du nouveau dispositif est possible en raison de la courte longueur d'onde du rayonnement térahertz. «Les accélérateurs basés sur Terahertz sont devenus des candidats prometteurs pour les sources d'électrons compactes de nouvelle génération», a déclaré Franz Kärtner, chef du groupe CFEL qui a construit l'appareil et scientifique principal chez DESY. Les scientifiques ont déjà réalisé des expériences réussies avec des accélérateurs térahertz, ce qui a permis des applications où les grands accélérateurs de particules ne sont ni réalisables ni nécessaires. "Cependant, la technique est encore à un stade précoce, et les performances des accélérateurs térahertz expérimentaux ont été limitées par la section relativement courte d'interaction entre l'impulsion térahertz et les électrons", a déclaré Kärtner, selon phys.org.

Les ondes térahertz économisent l'énergie laser

Pour faire fonctionner le nouvel appareil, l'équipe a utilisé une impulsion plus longue composée de nombreux cycles d'ondes térahertz. Ils ont pu étendre la section d'interaction avec les particules en utilisant cette impulsion multicycle avec un grand succès. "Nous introduisons l'impulsion térahertz multicycle dans un guide d'ondes qui est recouvert d'un matériau diélectrique", a déclaré Zhang, selon phys.org.

Le nouvel appareil n'a pas produit une grande accélération en laboratoire. Mais l'équipe pourrait prouver son concept en montrant comment les électrons gagnent de l'énergie dans un guide d'ondes. "C'est une preuve de concept. L'énergie des électrons est passée de 55 à environ 56,5 kilo électron-volts", a déclaré Zhang, à phys.org. "Une accélération plus forte peut être obtenue en utilisant un laser plus puissant pour générer les impulsions térahertz."

Cet agencement était principalement destiné à la physique non relativiste, ce qui signifie que les électrons ont des vitesses qui ne sont pas aussi rapides que la lumière elle-même. Notamment, la physique non relativiste permet le recyclage de l'impulsion térahertz pour une deuxième étape d'accélération. "Une fois que l'impulsion térahertz quitte le guide d'ondes et entre dans le vide, sa vitesse est réinitialisée à la vitesse de la lumière", a expliqué Zhang à phys.org. "Cela signifie que l'impulsion dépasse le groupe d'électrons le plus lent en 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 manière, nous générons une deuxième section d'interaction, augmentant davantage les énergies des électrons. "

Dans le cadre de l'expérience en laboratoire, seule une fraction de l'impulsion térahertz pouvait être recyclée de cette manière. Mais l'expérience a montré que le recyclage de l'énergie dans les accélérateurs de paticules est en principe faisable, et Zhang pense que la fraction recyclée pourrait être considérablement augmentée. Nicholas Mattlis, scientifique senior et chef d'équipe du projet du groupe CFEL, a souligné: "Notre schéma en cascade réduira considérablement la demande sur le système laser requis pour l'accélération des électrons dans le régime non relativiste, ouvrant de nouvelles possibilités pour la conception de accélérateurs à base de térahertz. "


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