Ускоритель размером с комнату

Ускорители электронов очень нужны для полупроводниковой промышленности, медицинской диагностики и лечения, исследований в энергетике и материаловедении. Однако обычные ускорители — это огромные устройства, которые занимают много места. Поэтому они есть только у крупных лабораторий и университетов.

Международная группа ученых во главе с профессором физики Техасского университета в Остине Бьорном Мануэлем Хегеличем (Bjorn Manuel Hegelich) продемонстрировала компактный ускоритель длиной менее 20 м, который производит электронный пучок с энергией 10 ГэВ. Сейчас в США работают лишь два ускорителя, способных достичь столь высоких энергий. Длина обоих около 3 км.

Новый прибор принадлежит к известным лазерным ускорителям Вейкфилда, которые впервые были предложены в 1979 году. В этих ускорителях мощный лазер нагревает гелий до состояния плазмы и порождает в нем электронный пучок. Новизна компактного ускорителя в том, что у него есть вспомогательный лазер, который внутри газовой ячейки испаряет металлическую пластину. Поэтому впрыснутые ею в пучок электронов металлические наночастицы увеличивают энергию пучка.

Исследователи использовали один из самых мощных в мире импульсных лазеров — Техасский петаваттный лазер, который испускает сверхинтенсивный импульс света длительностью 150 фемтосекунд, что меньше миллиардной доли времени разряда молнии. В перспективе ученые планируют заменить этот громоздкий лазер на лазер метровых размеров, который они сейчас разрабатывают. Это сделает ускоритель еще более компактным и пригодным для использования буквально в поле.

С помощью нового прибора можно проверять воздействие радиации на космическую электронику, получать трехмерные изображения структуры полупроводниковых чипов, разрабатывать способы лечения рака. Ускоритель пригодится для создания рентгеновского лазера на свободных электронах, который позволяет в реальном времени изучать атомные и молекулярные процессы, например: взаимодействия лекарств с клетками, явления в химических системах и изменения формы вирусных белков при заражении клеток.

Ученые подали патентную заявку, описывающую устройство и метод генерации наночастиц в газовой ячейке. При лаборатории профессора создана компания TAU Systems Inc, которая получила от университета эксклюзивную лицензию на будущий патент, а Хегелич стал ее генеральным директором. Статья об исследовании опубликована в журнале Matter and Radiation at Extremes.