Miniacelerador de partículas alcança energia recorde

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/07/2019

O miniacelerador terahertz é composto por dois estágios, cada um medindo menos de 2 centímetros.
[Imagem: DESY/Gesine Born]

Miniacelerador de partículas

Em 2015, pesquisadores do síncrotron DESY, na Alemanha, construíram um miniacelerador de partículas com apenas 1,5 cm de comprimento.

Ele não diminuiu muito desde então, mas acaba de atingir um recorde mundial: pela primeira vez, um acelerador acionado por radiação terahertz mais do que dobrou a energia dos elétrons injetados.

Ao mesmo tempo, a configuração melhorou significativamente a qualidade do feixe de elétrons em comparação com experimentos anteriores utilizando a mesma técnica.

"Este resultado representa um passo crítico para a implementação prática de aceleradores alimentados por terahertz," disse o pesquisador Franz Kurtner. "O comprimento de onda da radiação terahertz é cerca de cem vezes menor do que as ondas de rádio usadas atualmente para acelerar as partículas. Isso significa que os componentes do acelerador também podem ser construídos para serem cerca de cem vezes menores."

Esses raios T prometem aceleradores que permitirão aplicações completamente novas, por exemplo, como fontes compactas de raios X para a ciência de materiais e talvez até para imagens médicas. A tecnologia está atualmente em desenvolvimento em várias partes do mundo.

Um estágio comprime o pacote de elétrons, enquanto o outro acelera as partículas.
[Imagem: DESY/Gesine Born]

Acelerador de elétrons

Um dos desafios para usufruir das promessas dos aceleradores de raios T é que, como as ondas terahertz oscilam muito rapidamente, cada componente e cada etapa do acelerador devem ser perfeitamente sincronizados. Nos aceleradores as partículas normalmente não viajam na forma de um raio contínuo, mas em aglomerados, ou "pacotes". Devido à rápida mudança do campo, nos aceleradores terahertz esses pacotes devem ser muito curtos, para garantir condições de aceleração para todas as partículas.

"Por exemplo, para alcançar o melhor ganho de energia, os elétrons têm que atingir o campo terahertz exatamente durante o seu meio-ciclo de aceleração," explicou Dongfang Zhang, membro da equipe.

Neste protótipo, o pacote de elétrons, medindo cerca de 3 milímetros de comprimento, foi comprimido em um primeiro estágio para apenas 0,1 milímetro, sendo então remetido para o segundo dispositivo, onde o pacote é acelerado.

O par de dispositivos produziu um campo de aceleração com um pico de 200 milhões de Volts por metro (MV/m), próximo aos aceleradores convencionais mais avançados de última geração. Para aplicações práticas, contudo, isso ainda precisará ser significativamente melhorado.

"Nosso trabalho mostra que até uma compressão mais de três vezes mais forte dos feixes de elétrons é possível. Juntamente com uma maior energia terahertz, gradientes de aceleração no regime dos gigavolts por metro parecem plausíveis," disse Zhang. "O conceito de terahertz, portanto, parece cada vez mais promissor como uma opção realista para o projeto de aceleradores de elétrons compactos."

Bibliografia:

Artigo: Femtosecond phase control in high-field terahertz-driven ultrafast electron sources
Autores: Dongfang Zhang, Arya Fallahi, Michael Hemmer, Hong Ye, Moein Fakhari, Yi Hua, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Luis E. Zapata, Nicholas H. Matlis, Franz X. Kärtner
Revista: Optica
Vol.: 6, Issue 7, pp. 872-877
DOI: 10.1364/OPTICA.6.000872