Ο θρίαμβος των ακτίνων με συχνότητες στην περιοχή των Terahertz

Από την ιστοσελίδα Focus του περιοδικού Physical Review, Μαρτιος  2003

Οι ακτίνες Χ μπορεί να μας είναι γνωστές από τις επισκέψεις μας στον οδοντίατρό μας ή από τον έλεγχο στα αεροδρόμια, αλλά είναι μάλλον απίθανο ότι έχουμε ποτέ ακούσει για τις δυνατότητες των ακτίνων-Τ. Αυτές οι ακτίνες με μεγάλα μήκη κύματος, στην περιοχή του υπέρυθρου, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές, αλλά μέχρι πρόσφατα, δεν ήταν δυνατόν να παραχθούν αρκετά ισχυρές δέσμες από τις ακτίνες αυτές. 

Κατά το τελευταίο έτος οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα γραμμικό επιταχυντή για την παραγωγή της πιο ισχυρής δέσμης ακτίνων-Τ (Terahertz), που έγινε ποτέ. Τώρα στο τεύχος της 7ης Μαρτίου του περιοδικού Physical Review Letters [1], μια ομάδα ερευνητών περιγράφει μια μέθοδο παραγωγής πιο σταθερής και χρήσιμης δέσμης  ακτίνων.  Αυτοί τροποποίησαν ένα δακτύλιο που χρησίμευε για την επιτάχυνση ηλεκτρονίων και παραγωγή ακτίνων-Χ, για να παράγουν ακτίνες-Τ, μεγάλης ισχύος.  

Όραση με ακτίνες-Τ.Οι ακτίνες-T μπορούν να διεισδύουν σε διάφορα υλικά, χωρίς να προκαλούν ζημιές από ακτινοβολία, και να δίνουν λεπτομερείς εικόνες, όπως π.χ. αυτή η τομή ενός δοντιού. Μια ερευνητική ομάδα έχει παραγάγει ακτίνες-Τ υψηλής ισχύος, υψηλής ποιότητας ακτίνες-Τ για ερευνητικούς σκοπούς. 

Οι ακτίνες-Τ, στην περιοχή των Terahertz, είναι χρήσιμες διότι μπορούν να διεισδύουν σε πολλά υλικά, μεταξύ των οποίων και τα ζωντανά κύτταρα, χωρίς να τα καταστρέφουν. Συγχρόνως δίνουν ένα φάσμα απορρόφησης πολύ ευαίσθητο στην επιλογή του υλικού μέσα από το οποίο διέρχονται. Οι πιθανές εφαρμογές των ακτίνων-Τ εκτείνονται από τη βασική έρευνα, όπως είναι π.χ. η μελέτη των ιδιοτήτων των υπεραγωγών, μέχρι την ιατρική απεικόνιση και τα συστήματα ασφαλείας. Μια Βρετανική εταιρία, έχει ήδη αναπτύξει έναν τρόπο χρήσης των ακτίνων-Τ για την απεικόνιση του καρκίνου του δέρματος, ενώ μερικοί ερευνητές οραματίζονται τη χρήση τους στον εντοπισμό βιολογικών και χημικών όπλων. Όμως, ενώ τα LED, τα λέιζερ και οι σωλήνες κενού, μπορούν να παράγουν ισχυρές δέσμες σε υυψηλότερες και χαμηλότερες συχνότητες, δεν υπάρχουν βολικές πηγές παραγωγής ακτίνων-Τ υψηλής ισχύος. 

Κατά το τελευταίο έτος, μια ομάδα στον επιταχυντή Thomas Jefferson στη Virginia των ΗΠΑ, βρήκε ένα τρόπο να γεμίσει το χάσμα των terahertz χρησιμοποιώντας ένα γραμμικό επιταχυντή για να παράγει μια δέσμη ισχύος 20W [2]. Τώρα οι ερευνητές στο κέντρο BESSY του Βερολίνου για την ακτινοβολία σύγχροτρον, χρησιμοποίησαν μια παρόμοια τεχνική και πέτυχαν μια δέσμη καλύτερης ποιότητας. 

Σε μια πηγή ακτινοβολίας σύγχροτρον, ηλεκτρόνια που κινούνται κυκλικά οδηγούμενα από μαγνητικά πεδία, προκαλούν την εκπομπή της ακτινοβολίας. Οι ίδιες εγκαταστάσεις σύγχροτρον μπορούν με κατάλληλη τροποποίηση να μας δώσουν και ακτίνες-Τ. Οι ακτίνες -Τ είναι ασθενικές, διότι τα ηλεκτρόνια που εκτελούν την κυκλική τροχιά μέσα σε κατάλληλους δακτυλίους μετά από επιτάχυνσή τους, κινούνται σε διακριτές ομάδες μήκους περίπου 5mm η κάθε μια. Επειδή το μήκος κύματος της ακτινοβολίας στη περιοχή των Terahertz είναι μικρότερο από 1 mm, το ένα δισεκατομμύριο περίπου ηλεκτρόνια της κάθε ομάδας, εκπέμπει την ακτινοβολία του με τυχαία φάση σε σχέση με τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια της ομάδας. Έτσι τα εκπεμπόμενα κύματα ακυρώνουν το ένα το άλλο, ως αποτέλεσμα της συμβολής τους, και η συνολική εκπεμπόμενη ακτινοβολία έχει μικρή ένταση.  

Στην νέα εργασία, η ομάδα στο BESSY έδειξε ότι, ρυθμίζοντας την ένταση του πεδίου μερικών από τους μαγνήτες, μπορούσαν να ελαττώσουν το μήκος κάθε δεσμίδας ηλεκτρονίων περίπου στο 1 mm. Τα ηλεκτρόνια τότε μέσα σε κάθε δεσμίδα, δρουν σαν ένα "γιγαντιαίο σωμάτιο" και εκπέμπουν συμφασικές ακτίνες-Τ. Αυτό μοιάζει κάπως σαν μια δέσμη λέιζερ από ακτίνες στην περιοχή του φάσματος βαθιά στο υπέρυθρο. "Ακούγεται απλό" λέει ο Dr. Wüstefeld, ένας εκ της ομάδας, "αλλά όταν κάνουμε κάτι τέτοιο πρέπει να κάνουμε ένα σωρό αλλαγές στην εγκατάσταση, γιατί η μηχανή δεν επιδέχεται τέτοιες μεταβολές."  

Στον επιταχυντή του εργαστηρίου Jefferson, μια διαφορετική νεοπαραχθείσα δεσμίδα ηλεκτρονίων παράγει κάθε παλμό ακτινοβολίας terahertz. Στον δακτύλιο αποθήκευσης ηλεκτρονίων του BESSY, όπου οι ίδιες δεσμίδες των ηλεκτρονίων περιφέρονται σε κύκλους ξανά και ξανά, η δέσμη είναι πιο σταθερή και έχει μια υψηλότερη αναλογία σήματος προς θόρυβο.  

Οι ερευνητές στο Εθνικό Αμερικανικό εργαστήριο Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια είναι ιδιαίτερα ευχαριστημένοι που βλέπουν αυτά τα αποτελέσματα. Πρόσφατα πρότειναν την κατασκευή ενός δακτυλίου αποθήκευσης ηλεκτρονίων, αποκλειστικά για την παραγωγή ακτίνων-Τ. Δεν ήταν όμως σίγουροι ότι κάτι τέτοιο θα δούλευε. Τα νέα αποτελέσματα από το BESSY, ενθαρρύνουν ακόμη περισσότερο την προσπάθειά τους.