Disiplinlerarası bir araştırma ekibi tarafından, radyo frekans yapıları yerine terahertz ışınım kullanan minyatür bir parçacık hızlandırıcının ilk prototipi üretildi. Hızlandırıcı modülünün boyu 1,5 cm ve eni 1 mm kadar. DESY araştırmacılarından biri olan Serbest Elektron Lazer Billimi Merkezi'nden (CFEL) Franz Kartner'ın belirttiği gibi, terahertz teknolojisi tüm düzeneğin en az 100 kat minyatürize edilmesi yönünde umut vaad ediyor. Ekip, Kartner'in Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki laboratuvarında bulunan prototip düzeneğin ayrıntılarını Nature Communications dergisinde yayımlanan makalelerinde paylaştı. Yazarlar, terahertz hızlandırıcıların kullanılabileceği sayısız uygulama olduğunu vurguluyor; malzeme biliminden tıbba, parçacık fiziğinden X-ışın lazerlerine kadar.

Elektromanyetik izgede (İng. spectrum) terahertz ışınımın yeri kızılötesi ile mikrodalga arasında kalır. Parçacık hızlandırıcılar genellikle radyo frekans aralığındaki elektromanyetik ışınıma dayanır. Örneğin DESY'nin parçacık hızlandırıcısı PETRA III 500 megahertz civarında bir frekans kullanıyor. Bu deneyde kullanılan terahertz ışınım ise yaklaşık bin kat daha kısa. “Bunun avantajı, başka herşeyin de bin kat küçülebilir olması,” diyor Prof. Kartner.

Bilimcilerin tasarladığı prototipte terahertz ışınımla kullanmak üzere üretilen, mikro-yapılandırılmış özel bir hızlandırıcı modülü bulunuyor. Fizikçiler, elektronları hızla minyatür ivmelendirici modülünün içine ateşlemek için, Max Planck Enstitüsü direktörü Prof. Dwayne Miller'ın sağladığı bir tür elektron tabancasından yararlanmış. Böylece elektronların, modülün beslendiği terahertz ışınım tarafından ivmelenmesi sağlanmış. Terahertz ivmelendiricilerin bu ilk prototipi, parçacıkların enerjisini 7 keV kadar arttırmayı başarıyor.

“Bu öyle çok yüksek bir ivmelenme değil, ama deney ilkenin uygulamada işe yaradığını gösteriyor,” diyor araştırmanın kuramsal hesaplamalarını gerçekleştiren Arya Fallahi. “Kurama göre, metre başına bir gigavolt'a kadar çıkabilen bir ivmelenmeye ulaşabilmeliyiz.” Bu da şu an varolan en iyi hızlandırıcı modülleri ile ulaşılabilenin on katı demek. Plazma ivmelendirici teknolojisi, her ne kadar şu an deneme aşamasında olsa da, bundan bile yüksek ivmelenmeler üretmeyi vaad ediyor. Ancak onlar için, terahertz hızlandırıcılara gerekenden epey daha güçlü lazerler gerek.



Fizikçiler terahertz teknolojisinin olası ilginç uygulamalarına örnek olarak, ileride inşa edilecek parçacık fiziği lineer hızlandırıcılarını, malzeme bilimi için gereken X-ışın lazerleri ile elektron kaynaklarını, ayrıca X-ışını ve elektron ışınımı kullanan tıp uygulamalarını veriyor. Makalenin başyazarı Emilio Nanni şöyle diyor: “Terahertz nesil optik yöntemlerde görmeye başladığımız hızlı ilerlemeler, bu uygulamalar için ileride terahertz teknolojiler geliştirilmesini sağlayacak.”

Serbest Elektron Lazeri (FEL) olarak adlandırılan cihazlar, parçacık hızlandırıcıdan çıkan yüksek hızlı elektronları yansıdıkları her seferde ışık yayacakları dalgalı bir yoldan göndererek, lazer ışık atımları üretir. Hamburg'taki DESY kampüsünden komşu şehir olan Schenefeld'e kadar uzanacak olan ve uluslararası bir konsorsiyum tarafından yapımı devam eden European XFEL adı X-ışın lazerinde kullanılacak olan ilke de bunun aynısı. Tesis tamamlandığında uzunluğu 3 km'yi geçecek ve kendi alanındaki en üstün örnek olacak.

Deneme amaçlı yapılan terahertz teknolojili XFEL'in bir metreden daha kısa olması bekleniyor. “Bu tür bir cihazın çok daha kısa X-ışın atımları üretmesini bekliyoruz; bir femtosaniyeden daha kısa. Bu aşırı kısa atımlar sayesinde, fotosentezle ilgili olanlar benzeri aşırı hızlı gerçekleşen kimyasal süreçlere ilişkin daha derin bilgi edinebilmeyi umuyoruz,” diyor Kartner. Atımlar bu denli kısa olduğundan, her bir atımda daha büyük tesislerde üretilenlerden çok daha az ışık olmasına rağmen, doruk parlaklıklar karşılaştırılabilir olacak.

 

---

Kaynak: DESY, "Physicists shrink particle accelerator"
< http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=883 >

Referans: "Terahertz-driven linear electron acceleration“; Emilio A. Nanni, Wenqian R. Huang, Kyung-Han Hong, Koustuban Ravi, Arya Fallahi, Gustavo Moriena, R. J. Dwayne Miller & Franz X. Kärtner; Nature Communications, 2015; DOI: 10.1038/NCOMMS9486
< http://www.nature.com/ncomms/2015/151006/ncomms9486/full/ncomms9486.html >

---