米国には 100 億電子ボルトの粒子ビームを生成できる加速器が 2 つしかなく、それぞれの長さは約 1.9 マイル (3 km) です。 TAU Systems の CEO は、「このエネルギー レベルを 10 センチメートル (4 インチ) 以内で達成できるようになりました」と述べています。
「このようなコンパクトで高度な加速器の動作には、巨大なレーザーも必要です。この場合、テキサス ペタワット レーザーは、テキサス大学オースティン校の高エネルギー密度科学センターにある長さ 34 フィート (10 メートル) のステージに設置されています」と TAU Systems の CEO は述べています。
世界で最も強力なレーザーの 1 つであるこの「巨大レーザー」は、米国の設備容量の約 1,000 倍のエネルギーを持つ超強力なレーザー ビームを放射できますが、放射できるのは 1 時間に 1 回だけで、持続時間は雷の放電時間の 10 億分の 150 フェムト秒しかありません。
TAU の装置は長さ 66 フィート (20 メートル) 未満で、最大 10 GeV のビームを放射します。これは、1979 年に初めて説明され、現在多くのアクセラレータ プログラムで使用されている Ruofei アクセラレーション テクノロジの改良版を使用しています。
通常の粒子加速器は、実際には、正の電圧が印加されると電子を引き付ける一連のリングです。リングは順番にエネルギーを与えられ、増加する速度で電子をトンネルに引き込み、電子が到着する前に各リングが閉じます。
レーザー駆動の加速器は、多かれ少なかれ光パルス自体を光速の電磁石に変え、粒子がそれに追従できるようにし、非常に短い距離にわたって驚異的な速度とエネルギーを収集します。
TAUの装置はヘリウムガスが充填されたチャンバーを使用する。ペタワット レーザーがこれらのガスを通して光のパルスを発射すると、パルスの巨大なエネルギーによってガスがイオン化されてプラズマになります。パルスがプラズマ中を移動する際、船が水の中を移動するときに後に残る航跡と同じように、パルスはその後に航跡を残しますが、この場合は非常に強力な電荷変動の航跡が生成されます。
電子が適切な瞬間に注入されると、これらの巨大な移動電荷が光パルスの後ろを引っ張ったり押したりして、元のレーザーパルスのエネルギー（ただし速度ではない）を消費し、それを加速中の電子に移し、短距離にわたって「光の速度の大部分」まで押し上げます。
この装置における TAU の主な進歩は、ガスチャンバー内の金属プレートに正確にタイミングを合わせたパルス列を発射する補助アブレーションレーザーの使用であり、金属ナノ粒子の流れをガスチャンバーに注入して、レーザーパルス列に従う電子のエネルギーを増加させます。
「押しつぶされずに大きな波に乗るのは難しいので、サーファーはジェットスキーで波に引きずり込まれるのです」とテキサス大学オースティン校の物理学准教授でTAUシステムズのCEO、ビョルン・“マヌエル”・ヘゲリッヒ氏は語る。 「私たちの加速器におけるジェット スキーに相当するのは、適切なタイミングと適切なポイントで電子を放出するナノ粒子であり、電子は波の中にあります。」相互作用全体にわたって統計的に分布するのではなく、必要なときに必要な場所により多くの電子を波に取り込むことができ、それが秘密です。 」
ヘグリッヒ氏と彼のチームは独自のデスクトップサイズのレーザーシステムを開発中で、これによりシステム全体がよりコンパクトになり、1時間に1回ではなく1秒間に数千回発射できるようになるという。
では、超小型高エネルギー粒子加速器はどのような用途に使われるのでしょうか?おそらく X 線自由電子レーザーの駆動に使用され、原子または分子スケールでスローモーション ビデオをキャプチャできる可能性があります。また、宇宙飛行で使用される電子部品が放射線に耐えられるかどうかをテストしたり、半導体チップ設計の内部構造の三次元イメージングを実行したり、新しいがん治療法や高度な医療画像技術を開発する可能性もあります。
チームの研究論文は、ジャーナル「Matter and Radiation at Extreme」に掲載されました。