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L’accélérateur de particules réinventé : compact, puissant et prêt à transformer la science

Compact Accelerator Technology Art Concept

Une équipe de recherche collaborative a développé un accélérateur de particules compact capable de produire des faisceaux d’électrons de haute énergie dans un encombrement beaucoup plus réduit que les accélérateurs traditionnels. Cette percée ouvre de nouvelles possibilités dans la recherche médicale, sur les semi-conducteurs et scientifique, avec des plans pour une miniaturisation plus poussée et une praticité accrue.

Les chercheurs ont dévoilé un accélérateur de particules compact qui atteint des énergies électroniques élevées dans une fraction de l’espace requis par les accélérateurs traditionnels, ce qui promet des progrès dans les applications médicales, scientifiques et technologiques.

Les accélérateurs de particules recèlent un grand potentiel pour les applications des semi-conducteurs, l’imagerie et la thérapie médicales, ainsi que la recherche dans les domaines des matériaux, de l’énergie et de la médecine. Mais les accélérateurs conventionnels nécessitent beaucoup de marge de manœuvre (des kilomètres), ce qui les rend coûteux et limite leur présence à une poignée de laboratoires et d’universités nationaux.

Percée dans la technologie des accélérateurs

Des chercheurs de l’Université du Texas à Austin, de plusieurs laboratoires nationaux, d’universités européennes et de la société TAU Systems Inc., basée au Texas, ont démontré un accélérateur de particules compact de moins de 20 mètres de long qui produit un faisceau d’électrons d’une énergie de 10 milliards d’électrons-volts. (10 GeV). Il n’existe actuellement aux États-Unis que deux autres accélérateurs capables d’atteindre des énergies électroniques aussi élevées, mais tous deux mesurent environ 3 kilomètres de long.

Cellule à gaz pour accélérateur laser Wakefield

Cette cellule à gaz est un élément clé d’un accélérateur laser compact à champ de sillage développé à l’Université du Texas à Austin. À l’intérieur, un laser extrêmement puissant frappe l’hélium gazeux, le chauffe pour former un plasma et crée des ondes qui expulsent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Crédit : Björn « Manuel » Hegelich

« Nous pouvons désormais atteindre ces énergies en 10 centimètres », a déclaré Bjorn « Manuel » Hegelich, professeur agrégé de physique à l’UT et PDG de TAU Systems, faisant référence à la taille de la chambre dans laquelle le faisceau a été produit. Il est l’auteur principal d’un article récent décrivant leurs réalisations dans la revue Matière et rayonnement aux extrêmes.

Extension des applications de la technologie des accélérateurs

Hegelich et son équipe explorent actuellement l’utilisation de leur accélérateur, appelé accélérateur laser avancé à champ de sillage, à diverses fins. Ils espèrent l’utiliser pour tester dans quelle mesure l’électronique spatiale peut résister aux rayonnements, pour imager les structures internes en 3D de nouvelles conceptions de puces semi-conductrices et même pour développer de nouvelles thérapies contre le cancer et des techniques d’imagerie médicale avancées.

Dessin de cellule à gaz

Dessin de cellule à gaz. À l’intérieur, un laser extrêmement puissant frappe l’hélium gazeux, le chauffe pour former un plasma et crée des ondes qui expulsent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Les nanoparticules, générées par un laser secondaire brillant à travers la fenêtre supérieure et frappant une plaque métallique, augmentent l’énergie transférée aux électrons. Crédit : Université du Texas à Austin

Ce type d’accélérateur pourrait également être utilisé pour piloter un autre appareil appelé laser à électrons libres à rayons X, qui pourrait filmer au ralenti des processus à l’échelle atomique ou moléculaire. Des exemples de tels processus incluent les interactions médicamenteuses avec les cellules, les changements à l’intérieur des batteries qui pourraient provoquer leur incendie, les réactions chimiques à l’intérieur des panneaux solaires et les protéines virales qui changent de forme lorsqu’elles infectent les cellules.

Avancées techniques et objectifs futurs

Le concept des accélérateurs laser à champ de sillage a été décrit pour la première fois en 1979. Un laser extrêmement puissant frappe l’hélium gazeux, le chauffe pour former un plasma, et crée des ondes qui expulsent les électrons du gaz dans un faisceau d’électrons à haute énergie. Au cours des deux dernières décennies, divers groupes de recherche ont développé des versions plus puissantes. La principale avancée de Hegelich et de son équipe repose sur les nanoparticules. Un laser auxiliaire frappe une plaque métallique à l’intérieur de la cellule à gaz, qui injecte un flux de nanoparticules métalliques qui augmentent l’énergie délivrée aux électrons par les ondes.

Le laser est comme un bateau survolant un lac, laissant derrière lui un sillage, et les électrons chevauchent cette onde de plasma comme des surfeurs.

Accélérateur laser Wakefield compact

Un dessin de l’accélérateur laser compact Wakefield développé à l’Université du Texas à Austin. Un faisceau laser entre par le côté droit et se déplace dans la cellule à gaz où un faisceau d’électrons est créé, qui se dirige finalement vers deux écrans scintillants (DRZ1 et DRZ2) pour analyse sur le côté gauche. Crédit : Université du Texas à Austin

« Il est difficile d’entrer dans une grosse vague sans se laisser maîtriser, alors les wakesurfeurs se laissent entraîner par les jet skis », a déclaré Hegelich. « Dans notre accélérateur, l’équivalent des Jet Skis sont des nanoparticules qui libèrent des électrons juste au bon moment et au bon moment, de sorte qu’ils sont tous assis là dans la vague. Nous introduisons beaucoup plus d’électrons dans l’onde quand et où nous voulons qu’ils soient, plutôt que de les répartir statistiquement sur l’ensemble de l’interaction, et c’est notre sauce secrète.

Pour cette expérience, les chercheurs ont utilisé l’un des lasers pulsés les plus puissants au monde, le laser Texas Petawatt, hébergé à l’UT et qui émet une impulsion de lumière ultra-intense toutes les heures. Une seule impulsion laser pétawatt contient environ 1 000 fois la puissance électrique installée aux États-Unis, mais ne dure que 150 femtosecondes, soit moins d’un milliardième de la durée d’une décharge de foudre. L’objectif à long terme de l’équipe est de piloter son système avec un laser qu’elle développe actuellement, qui tient sur une table et peut se déclencher à plusieurs reprises à des milliers de fois par seconde, rendant l’ensemble de l’accélérateur beaucoup plus compact et utilisable dans des contextes beaucoup plus larges que les systèmes conventionnels. accélérateurs.

Les co-premiers auteurs de l’étude sont Constantin Aniculaesei, auteur correspondant désormais à l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf, en Allemagne ; et Thanh Ha, doctorant à l’UT et chercheur chez TAU Systems. Les autres membres du corps professoral de l’UT sont les professeurs Todd Ditmire et Michael Downer.

Hegelich et Aniculaesei ont déposé une demande de brevet décrivant le dispositif et la méthode permettant de générer des nanoparticules dans une cellule à gaz. TAU Systems, issue du laboratoire de Hegelich, détient une licence exclusive de l’Université pour ce brevet fondamental. Dans le cadre de cet accord, UT a reçu des actions de TAU Systems.

Le soutien à cette recherche a été fourni par le Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Force, le Département américain de l’énergie, le Conseil britannique de recherche en ingénierie et en sciences physiques et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne.

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