Mi az alapkoncepciója a hullámvezető-alapú die­lektri­ku­mos elektrongyorsítónak? Mi az előnye a terahertzes impulzusok használatának?

– A mikrohullámú gyorsítók inkább, a látható/közeli inf­ra­vörös tartományon működők talán kevésbé ismertek. E két tartomány közt helyezkedik el a távoli infravörös (tera­hertzes = THz-es) sáv. Jelenleg egy, a THz-es tarto­má­nyon működő gyorsító megvalósítása folyik, mely a mikro­hullámúnál jóval kompaktabb felépítésű és költség­hatékonyabb üzemeltetésű megoldást tesz le­hetővé. A THz-es tartomány tipikus hullámhossza mint­egy ezerszer hosszabb a láthatóénál. Ez pedig hatalmas előny a látható/közeli infravörös tartományon működő gyorsítókhoz képest. A hosszabb hul­lámhossznak köszön­he­tő­en lényegesen nagyobb töltés­mennyiség gyor­sí­tá­sa lehetséges, és egyúttal biztosítható, hogy az elekt­ron­cso­mag valamennyi elektronja folyama­tosan gyor­sító elektromos teret érzékeljen, amíg kölcsönhatásban van az impulzussal. Másrészről pedig az utóbbi időszakban nagy horderejű előrelépéseink voltak a THz-es impulzusok energiájának (elektromos terének) fel­ská­lá­zá­sá­ban, le­he­tő­vé téve a részecskegyorsításra történő alkalmazást. Az 1.a ábra mutatja az általunk fejlesztés alatt álló THz-es impulzusokkal hajtott hullámvezető-alapú die­lekt­ri­ku­mos elektrongyorsító (DLA) sematikus rajzát. A fém hullámvezető segítségével a kürtőkön keresztül tör­ténik a THz-es impulzusok eszközbe való becsatolása. A hul­lám­vezető szerepe kettős: előnyösen megnöveli a gyorsí­tá­sért felelős elektromos teret, és növeli a becsatolt THz-es impulzus ciklusszámát, mire az a dielektrikum-osz­lo­pok­hoz ér. A nagyobb elektromos csúcs térerősség és a megnövekedett ciklusszám következtében kiterjesztett köl­csön­­ha­tá­si hossz egyaránt növeli a gyorsítás mértékét.

1. ábra. Hullámvezetőn alapuló dielektrikum elektrongyorsító elvi felépítése a), dielektrikum oszlopstruktúra prototípusa b).

Mi a gyorsítás mechanizmusa?

– A két oldalról érkező, THz-es tartományba eső gyor­sí­tó lézerimpulzusok eredő elektromos tere gyorsítja a vá­kuum­csatornába érkező elektronokat. Az Energia­tudo­mányi Kutatóközpont mikrotechnológiai laborjában fotolitográfiai és mély reaktív ionmarási eljárással készítették el az 1.b ábra szerinti oszlopos DLA chipstruktúrát. A hullámvezető, va­la­mint a félszigetelő szilíciumból készített oszlopok és az azok közötti hézagok megfelelő méretezésével, il­le­tő­leg az elektroncsomag és a THz-es impulzusok precíz szink­ro­ni­zá­lá­sá­val biztosítjuk, hogy a struktúrához érkező elekt­ro­nok mindig gyorsító elektromos teret érzékeljenek. Ennek megfelelően az elektronok energiája folyamatosan nő az elektronok eszközben való terjedése során.

Milyen terahertzes impulzusforrás a legoptimálisabb mind­­eh­hez?

– Kifejezetten többciklusú impulzusokra van szükség, melyek nemlineáris optikai úton történő előállítására stan­dar­di­zált eszköz a periodikusan polarizált lítium-nio­bát struktúra, melyet a kristály növesztése során, vagy a nö­vesz­tés utáni utólagos polarizálással alakítanak ki. Mind­két megoldás meglehetősen körülményes, mi több, az így kialakított doménszerkezet korántsem mondható tö­ké­le­tes­nek. Részecskegyorsításra való alkalmazásunkhoz a ki­fe­je­zet­ten alacsonyabb frekvenciájú terahertzes im­pul­zu­sok az előnyösek, ami azt jelenti, hogy a struktúra periódusa a néhány száz mikrométeres mérettartományba esik. En­nek köszönhetően alternatív utat tudtunk választani: ke­res­ke­del­mi forgalomban beszerzett lítium-niobát-szeletek váltott orientációjú összeillesztésével (2. ábra) valósítottuk meg forrásunkat.

2. ábra. Periodikusan orientált lítium-niobát-alapú THz-es impulzusforrás.

A periódusok (szeletpárok) számának növelésével a pum­pa­impul­zus Fresnel-reflexiós veszteségei oly mér­ték­ben meg­nő­het­nek, hogy az a THz-keltési hatásfokot drá­mai­an lerontja. A reflexiós veszteségeket antireflexiós be­vo­nat al­kal­ma­zá­sá­val minimalizáltuk a Wigner Fizikai Ku­tató­in­té­zet­tel együttműködve. A hatásfok további maxi­­ma­li­zá­lá­sa érdekében a közeljövőben áttérünk az egy impulzus helyett az impulzussorozattal történő optikai pumpálásra.

Ha jól tudom, a végeredmény egy kis méretű, kompakt és költséghatékony berendezés relativisztikus elektronok elő­állí­tá­sa céljából. Mire használhatók majd ezek az elektronok?

– Így igaz. Célunk, hogy továbbfejlesztve a kis energiájú THz-es impulzussal hajtott hullámvezető-alapú dielekt­ri­ku­mos gyorsítót, olyan eszközt állítsunk elő, mellyel kü­lönböző frekvenciájú THz-es impulzusok esetén a hoz­­zá­juk optimalizált és legyártott dielektrikum-struk­tú­rá­kat alkalmazva különböző kezdeti energiájú és töltésű elekt­ron­cso­ma­gok utógyorsítása is véghezvihető kompakt és költ­ség­hatékony módon. A dielektrikum-struk­túra mik­ro­meg­mun­ká­lá­sát az Energiatudományi Kutató­központ mik­ro­­tech­no­ló­giai laborjában végeztük és végezzük a jövőben, az elektronok detektálására szolgáló de­tek­tor­rend­szer megépítésé­re pedig az Atommagkutató Intézetben kerül sor. Számos terület létezik, ahol az így előállított elektronok felhasználhatók. Idetartoznak például az elektrondiffrakciós, az elektronemissziós és a részecskemanipulációs kísérletek, továbbá egyéb képalkotó és szkennelő eljárások. Az ilyen elektroncsomók segítségével szilárd anyagok, molekulák, valamint biológiai rendszerek szerkezete is vizsgálható. Végül, de nem utolsósorban, az ultrarövid elektroncsomók alkalmazása lehetővé teszi röntgendiffrakciós vizsgálatok és kísérletek elvégzését is.•

A 2018-1.2.1-NKP-2018-00010 számú projekt a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból biztosított támogatással, a Nemzeti Kiválósági Program finanszírozásában valósult meg.