Deeltjesversnellers hebben een enorm potentieel voor halfgeleidertoepassingen, medische beeldvorming en therapie, en materialen, energie en medisch onderzoek. Traditionele versnellers vergen echter veel bewegingsruimte (kilometers), zijn duur en beperkt tot enkele nationale laboratoria en universiteiten. Een samenwerkend onderzoeksteam heeft een compacte deeltjesversneller ontwikkeld die in staat is hoogenergetische elektronenbundels te produceren in een veel kleiner volume dan traditionele versnellers. Deze doorbraak brengt nieuwe mogelijkheden met zich mee voor de geneeskunde, halfgeleiders en wetenschappelijk onderzoek, waarbij verdere miniaturisering en grotere bruikbaarheid gepland zijn.

Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin, meerdere nationale laboratoria, universiteiten in Europa en het in Texas gevestigde TAU Systems hebben een compacte deeltjesversneller van minder dan 20 meter lang gedemonstreerd die een elektronenbundel kan produceren met een energie van 10 miljard elektronvolt (10GeV). Momenteel zijn er in de Verenigde Staten slechts twee andere versnellers die zulke hoge elektronenenergieën kunnen bereiken, maar beide zijn ongeveer 3 kilometer lang.

Deze gaskamer is een belangrijk onderdeel van de compacte Nagisa-laserversneller, ontwikkeld aan de Universiteit van Texas in Austin. In de versneller treffen extreem krachtige lasers het heliumgas, verwarmen het tot een plasma en creëren golven die de elektronen in het gas eruit slaan in hoogenergetische elektronenbundels. Fotocredit: Bjorn "Manuel" Hegelich

"We kunnen deze energieën nu binnen 10 centimeter bereiken", zegt Bjorn "Manuel" Hegelich, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Texas in Austin en CEO van TAU Systems, verwijzend naar de grootte van de kamer die de elektronenbundel genereert. Hij is de hoofdauteur van een artikel waarin hun prestaties worden beschreven, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Matter and Radiation at Extreme.

Heglich en zijn team onderzoeken momenteel hoe hun versneller, de Advanced Wang Field Laser Accelerator genaamd, voor verschillende doeleinden kan worden gebruikt. Ze hopen het te gebruiken om de stralingsweerstand van ruimte-elektronica te testen, de driedimensionale interne structuur van nieuwe halfgeleiderchipontwerpen in beeld te brengen en zelfs nieuwe kankerbehandelingen en geavanceerde medische beeldvormingstechnieken te ontwikkelen.

Tekening luchtkamer. In de gaskamer bestraalt een zeer krachtige laser het heliumgas, verwarmt het tot plasma en genereert elektrische golven, die de elektronen in het gas uitzenden in de vorm van hoogenergetische elektronenstralen. De nanodeeltjes worden geproduceerd door een secundaire laser die door een bovenvenster schijnt en op een metalen plaat slaat, waardoor de energie die naar de elektronen wordt overgedragen wordt versterkt. Bron: Universiteit van Texas in Austin

De versneller kan ook worden gebruikt om een ​​ander apparaat aan te drijven, een röntgenvrije elektronenlaser, die slow motion-processen op atomaire of moleculaire schaal kan filmen. Voorbeelden van dergelijke processen zijn onder meer interacties tussen geneesmiddelen en cellen, veranderingen in batterijen waardoor ze in brand kunnen vliegen, chemische reacties in zonnepanelen en de vormveranderingen van virale eiwitten wanneer ze cellen infecteren.

Het concept van de Wangchang-laserversneller verscheen voor het eerst in 1979. Extreem krachtige lasers raken het heliumgas, verwarmen het tot een plasma en creëren golven die elektronen in het gas uit de hoogenergetische straal slaan. De afgelopen decennia hebben verschillende onderzoeksgroepen krachtigere versies ontwikkeld. De belangrijkste vooruitgang van Heglich en zijn team was gebaseerd op nanodeeltjes. De hulplaser bestraalt de metalen plaat in de gaskamer en de metalen plaat injecteert een stroom metalen nanodeeltjes, waardoor de energie van de elektronengolf wordt vergroot.

De laser is als een boot die over het meer roeit en een rimpel achterlaat, en de elektronen zijn als surfers die op deze plasmagolf rijden.

Afbeelding van de compacte Nagisa-veldlaserversneller ontwikkeld aan de Universiteit van Texas in Austin. De laserstraal komt van rechts de gaskamer binnen en genereert in de gaskamer een elektronenstraal. De elektronenbundel komt uiteindelijk in de twee scintillatieschermen (DRZ1 en DRZ2) aan de linkerkant terecht voor analyse. Bron: Universiteit van Texas in Austin

"Het is moeilijk om in een grote golf te komen zonder verpletterd te worden, dus golfsurfers worden door jetski's de golf in gesleept", zei Heglich. "Het equivalent van jetski's in onze versneller zijn nanodeeltjes die elektronen op precies het juiste moment en op het juiste punt vrijgeven, dus de elektronen bevinden zich in de golf. We krijgen meer elektronen in de golf wanneer en waar we dat willen, in plaats van statistisch verdeeld te zijn tijdens de interactie, en dat is onze geheime saus."

Voor dit experiment gebruikten de onderzoekers een van 's werelds krachtigste gepulseerde lasers, de Texas Petawatt Laser. Een enkele pitawa-laserpuls heeft ongeveer 1000 keer zoveel vermogen als in de Verenigde Staten, maar duurt slechts 150 femtoseconden, minder dan een miljardste van de tijd van een bliksemontlading. Het langetermijndoel van het team is om hun systeem van stroom te voorzien met een laser die ze momenteel aan het ontwikkelen zijn en die op een tafel kan zitten en duizenden keren per seconde kan vuren, waardoor de hele versneller compacter wordt en toepasbaar is voor een breder scala aan toepassingen dan traditionele versnellers.