Les accélérateurs de particules recèlent un grand potentiel pour les programs des semi-conducteurs, l’imagerie et la thérapie médicales, ainsi que la recherche dans les domaines des matériaux, de l’énergie et de la médecine. Mais les accélérateurs conventionnels nécessitent une grande marge de manœuvre (des kilomètres), ce qui les rend coûteux et limite leur présence à une poignée de laboratoires et d’universités nationaux.
Des chercheurs de l’Université du Texas à Austin, de plusieurs laboratoires nationaux, d’universités européennes et de la société texane TAU Programs Inc. ont démontré un accélérateur de particules compact de moins de 20 mètres de extensive qui produit un faisceau d’électrons d’une énergie de 10 milliards d’électrons-volts ( 10 GeV). Il n’existe actuellement aux États-Unis que deux autres accélérateurs capables d’atteindre des énergies électroniques aussi élevées, mais tous deux mesurent approximativement 3 kilomètres de very long.
« Nous pouvons désormais atteindre ces énergies en 10 centimètres », a déclaré Bjorn « Manuel » Hegelich, professeur agrégé de physique à l’UT et PDG de TAU Units, faisant référence à la taille de la chambre dans laquelle le faisceau a été produit. Il est l’auteur principal d’un article récent décrivant leurs réalisations dans la revue Subject and Radiation at Extremes.
Hegelich et son équipe explorent actuellement l’utilisation de leur accélérateur, appelé accélérateur laser avancé à champ de sillage, à diverses fins. Ils espèrent l’utiliser pour tester dans quelle mesure l’électronique spatiale peut résister aux rayonnements, pour imager les buildings internes 3D de nouvelles conceptions de puces semi-conductrices et même pour développer de nouvelles thérapies contre le most cancers et des techniques avancées d’imagerie médicale.
Ce variety d’accélérateur pourrait également être utilisé pour piloter un autre appareil appelé laser à électrons libres à rayons X, qui pourrait filmer au ralenti des processus à l’échelle atomique ou moléculaire. Des exemples de tels processus incluent les interactions médicamenteuses avec les cellules, les changements à l’intérieur des batteries qui pourraient provoquer leur incendie, les réactions chimiques à l’intérieur des panneaux solaires et les protéines virales qui changent de forme lorsqu’elles infectent les cellules.
Le strategy des accélérateurs laser à champ de sillage a été décrit pour la première fois en 1979. Un laser extrêmement puissant frappe l’hélium gazeux, le chauffe pour previous un plasma et crée des ondes qui expulsent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Au cours des deux dernières décennies, divers groupes de recherche ont développé des versions in addition puissantes. La principale avancée de Hegelich et de son équipe repose sur les nanoparticules. Un laser auxiliaire frappe une plaque métallique à l’intérieur de la cellule à gaz, qui injecte un flux de nanoparticules métalliques qui augmentent l’énergie délivrée aux électrons par les ondes.
Le laser est comme un bateau survolant un lac, laissant derrière lui un sillage, et les électrons chevauchent cette onde de plasma comme des surfeurs.
« Il est difficile d’entrer dans une grosse obscure sans se laisser maîtriser, alors les wakesurfeurs se laissent entraîner par les jet skis », a déclaré Hegelich. « Dans notre accélérateur, l’équivalent des Jet Skis sont des nanoparticules qui libèrent des électrons juste au bon moment et au bon moment, donc ils sont tous assis là dans la vague. Nous introduisons beaucoup in addition d’électrons dans la imprecise quand et où nous le voulons. qu’ils soient, plutôt que statistiquement répartis sur l’ensemble de l’interaction, et c’est notre sauce secrète.
Pour cette expérience, les chercheurs ont utilisé l’un des lasers pulsés les in addition puissants au monde, le laser Texas Petawatt, hébergé à l’UT et qui émet une impulsion de lumière ultra-intensive toutes les heures. Une seule impulsion laser pétawatt contient environ 1 000 fois la puissance électrique installée aux États-Unis, mais ne dure que 150 femtosecondes, soit moins d’un milliardième de la durée d’une décharge de foudre. L’objectif à very long terme de l’équipe est de piloter son système avec un laser qu’elle développe actuellement, qui tient sur une desk et peut se déclencher à plusieurs reprises à des milliers de fois par seconde, rendant l’ensemble de l’accélérateur beaucoup as well as compact et utilisable dans des contextes beaucoup in addition larges que les systèmes conventionnels. accélérateurs.
Les co-premiers auteurs de l’étude sont Constantin Aniculaesei, auteur correspondant désormais à l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf, en Allemagne et Thanh Ha, doctorant à l’UT et chercheur chez TAU Devices. Les autres membres du corps professoral de l’UT sont les professeurs Todd Ditmire et Michael Downer.
Hegelich et Aniculaesei ont déposé une demande de brevet décrivant le dispositif et la méthode permettant de générer des nanoparticules dans une cellule à gaz. TAU Methods, issue du laboratoire de Hegelich, détient une licence unique de l’Université pour ce brevet fondamental. Dans le cadre de cet accord, UT a reçu des steps de TAU Techniques.
Le soutien à cette recherche a été fourni par le Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Pressure, le Département américain de l’énergie, le Conseil britannique de recherche en ingénierie et en sciences physiques et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne.
