يوجد مسرعان فقط في الولايات المتحدة قادران على إنتاج 10 مليار حزمة من جسيمات الإلكترون فولت، ويبلغ طول كل منهما حوالي 1.9 ميل (3 كيلومترات). وقال الرئيس التنفيذي لشركة TAU Systems: "يمكننا الآن تحقيق مستوى الطاقة هذا في حدود 10 سنتيمترات (4 بوصات)."
وقال الرئيس التنفيذي لـ TAU Systems: "يتطلب مثل هذا المسرع المدمج والمتقدم أيضًا ليزرًا ضخمًا لتشغيله - في هذه الحالة، Texas Petawatt Laser، الموجود على مسرح يبلغ طوله 34 قدمًا (10 أمتار) في مركز علوم كثافة الطاقة العالية في جامعة تكساس في أوستن".
وباعتباره أحد أقوى أجهزة الليزر في العالم، يمكن لهذا "العملاق" أن ينبعث شعاع ليزر فائق القوة تبلغ طاقته حوالي 1000 مرة طاقة السعة المركبة في الولايات المتحدة، ولكن لا يمكن أن ينبعث إلا مرة واحدة في الساعة ويمكن أن يستمر فقط لمدة 150 فيمتوثانية، وهو ما يمثل واحدًا على مليار من وقت تفريغ البرق.
يبلغ طول جهاز TAU أقل من 66 قدمًا (20 مترًا) ويصدر أشعة تصل إلى 10 جيجا إلكترون فولت. ويستخدم نسخة محسنة من تقنية تسريع Ruofei التي تم وصفها لأول مرة في عام 1979 وتستخدم حاليًا بواسطة العديد من برامج التسريع.
مسرعات الجسيمات العادية هي في الواقع سلسلة من الحلقات التي تجذب الإلكترونات عند تطبيق جهد موجب عليها. يتم تنشيط الحلقات بدورها، مما يؤدي إلى سحب الإلكترونات عبر النفق بسرعات متزايدة، مع إغلاق كل حلقة قبل وصول الإلكترونات.
تعمل المسرعات التي تعمل بالليزر على تحويل نبضات الضوء نفسها إلى مغناطيسات كهربائية ذات سرعة خفيفة، مما يسمح للجسيمات بمتابعتها، وجمع سرعات وطاقة غير عادية عبر مسافات قصيرة للغاية.
يستخدم جهاز TAU غرفة مملوءة بغاز الهيليوم. عندما يطلق ليزر بيتاوات نبضة من الضوء عبر هذه الغازات، فإن الطاقة الهائلة للنبضة تؤين الغاز إلى بلازما. أثناء انتقالها عبر البلازما، تترك النبضة خلفها أثرًا، يشبه إلى حد كبير الأثر الذي تتركه السفينة خلفها عندما تنتقل عبر الماء، إلا أنه في هذه الحالة يخلق أثرًا قويًا للغاية من تقلبات الشحن.
إذا تم حقن إلكترون في اللحظة المناسبة، فإن هذه الشحنات المتحركة العملاقة تسحب وتدفع خلف نبضة الضوء، مما يستنزف طاقة نبضة الليزر الأصلية (ولكن ليس سرعتها) وينقلها إلى الإلكترون المتسارع، مما يدفعه إلى "جزء كبير من سرعة الضوء" على مسافة قصيرة.
يتمثل التقدم الرئيسي الذي حققته TAU في هذا الجهاز في استخدام ليزر الاجتثاث المساعد الذي يطلق قطارات نبضية موقوتة بدقة على لوحة معدنية في غرفة الغاز، ويحقن تيارًا من الجسيمات النانوية المعدنية في غرفة الغاز لزيادة طاقة الإلكترونات أثناء متابعتها لقطار نبض الليزر.
وقال بيورن "مانويل" هيجليتش، الأستاذ المساعد في الفيزياء بجامعة تكساس في أوستن والرئيس التنفيذي لشركة TAU Systems: "من الصعب الدخول في موجة كبيرة دون أن يتم سحقك، لذلك يتم جر راكبي الأمواج إلى الموجة بواسطة الزلاجات النفاثة". "إن ما يعادل دراجة جت سكي في مسرعنا هو الجسيمات النانوية التي تطلق الإلكترونات في الوقت المناسب وفي النقطة المناسبة، بحيث تكون في الموجة." يمكننا إدخال المزيد من الإلكترونات إلى الموجة متى وأينما نريدها، بدلاً من توزيعها إحصائيًا خلال التفاعل، وهذا هو السر. "
يقوم هيغليش وفريقه بتطوير نظام ليزر خاص بهم بحجم سطح المكتب، والذي يقولون إنه سيجعل النظام بأكمله أكثر إحكاما وسيطلق آلاف المرات في الثانية بدلا من مرة واحدة في الساعة.
إذًا، ما فائدة مسرعات الجسيمات الصغيرة جدًا ذات الطاقة العالية؟ ربما يستخدم لتشغيل أشعة ليزر إلكترونية خالية من الأشعة السينية، ومن المحتمل أن يلتقط فيديو بطيء الحركة على المستوى الذري أو الجزيئي. ويمكن استخدامه أيضًا لاختبار ما إذا كانت المكونات الإلكترونية المستخدمة في رحلات الفضاء يمكنها تحمل الإشعاع، وإجراء تصوير ثلاثي الأبعاد للبنية الداخلية لتصميمات شرائح أشباه الموصلات، وربما تطوير علاجات جديدة للسرطان وتقنيات تصوير طبي متقدمة.
نُشرت ورقة بحث الفريق في مجلة Matter and Radiation at Extreme.