Terahertz driven particle acceleration

Help

Back »

Details of project

Identifier

125808

Type

Principal investigator

Hebling, János

Title in Hungarian

Terahertzes részecske gyorsítás

Title in English

Terahertz driven particle acceleration

Keywords in Hungarian

terahertzes impulzus, extrém térerősség, részecske gyorsítás

Keywords in English

terahertz pulses, extreme-high-field, particle acceleration

Discipline

Physics (Council of Physical Sciences)	100 %
Ortelius classification: Optics

Panel

Physics 1

Department or equivalent

Institute of Physics (University of Pécs)

Participants

Almási, Gábor
Fülöp, József András
Pálfalvi, László
Tibai, Zoltán
Tóth, György

Starting date

2017-09-01

Closing date

2021-05-31

Funding (in million HUF)

35.647

FTE (full time equivalent)

11.24

state

closed project

Summary in Hungarian

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A mikrohullámú gyorsítók mérete és magas költsége korlátozza a felhasználásukat. Elvben lehetőség van infravörös lézerekkel meghajtott kompakt gyorsítók építésére. Azonban a rövid hullámhossz fC-os tartományra limitálja a gyorsítható töltés-mennyiséget. A terahertzes (THz) gyorsítók nagyobb töltés-mennyiséget (nC) képesek gyorsítani a két nagyságrenddel hosszabb hullámhosszuk miatt. Célunk a THz-el meghajtott kompakt részecskegyorsítók vizsgálata, és a hozzájuk szükséges THz források fejlesztése.
1. Megvizsgáljuk a THz-alapú elektronágyú megvalósítási lehetőségét, mellyel néhány ps hosszú 30-70 keV-os elektroncsomag hozható létre.
2. Megvizsgáljuk egy THz-alapú elektron utógyorsító megvalósításának lehetőségét, mely 50-300 keV-os elektroncsomagokat hozlétre. Ezen elektronok felhasználhatók ultragyors elektrondiffrakcióra.
3. Szimulációval vizsgálni fogjuk a dielektromos elektrongyorsító alkalmasságát a sub-relativisztikus elektronok relativisztikusra való gyorsítására.
4. Vizsgálni fogjuk a protonokat akár 70 MeV-ra gyorsítani tudó evanescens-hullám alapú proton utógyorsítót.
5. A legfrissebb eredményeinket alapul véve vizsgálni fogjuk az energiabeli skálázhatóságát a LiNbO3 és a félvezető alapú THz forrásoknak, továbbá az általuk előállítható THz impulzusok tulajdonságait a minél minőségibb nyalábok előállítása érdekében.
6. Elméleti és kísérleti megvalósítását tervezzük egy speciális OPA-nak, mely néhány tíz pikoszekundumos modulált impulzusokat állít elő a 2 µm-en. Ezekkel az impulzusokkal lehetőség nyílik néhány tíz ps-os, többciklusú THz impulzusok előállítására, melyek szükségesek a dielektromos elektrongyorsítók működtetéséhez.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A nemzetközi kooperációban tervezett kutatások céljai mindkét fél számára azonosak (legalábbis nagyon hasonlóak): THz-es impulzusokkal meghajtott kompakt részecskegyorsítok, és azok THz-es forrásainak fejlesztése. Mind a gyorsító struktúra mind a THz-es forrás azonban lényegesen különbözik a két által fejlesztés alatt álló megoldásokban. A kutatások e korai stádiumában az együttműködés sokat lendít a helyes irány kijelölésében. Mindkét felet érintő lényeges kérdések a Coulomb-taszítás hatása illetve a gyorsító struktúrákben használt optikai elemek roncsolódásának kérdése. Kutatásaink lényeges kérdései: Kis energiájú electron-csomag THz-es gyorsítása során megválaszolandó kérdés, hogy milyen paraméterekkel rendelkező elektronforrás teszi megvalósíthatóvá a szinkronizált gyorsítást, illetve milyen az optimális geometriájú gyorsító tér. Szubrelativisztikus elektronok dielektrikum struktúrával történő gyorsítása során fontos kérdéseket kell tisztázni. Legfontosabb a gyorsító struktúra optimális paraméter beállítása, illetve annak vizsgálata, hogy a dielektrikum struktúra intenzív elektromágneses tér hatására történő roncsolódása miként kerülhető el. Az evaneszcens térrel történő protongyorsítás kapcsán a legfontosabb kérdés a szinkronizáció megvalósítása, a hatékony gyorsítás, illetve a monokromatizáció.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Kutatásunk a nagyenergiájú töltött részecskék új alkalmazásai felé nyitnak. Az
anyagtudományban 0,1 - 10 MeV energiájú rövid elektroncsomagokra van szükség.
Új típusú elektronforrások szabadelektron-lézerek seedereként is, illetve
röntgenforráshoz is használhatóak.
Protonok utógyorsításával kapcsolatos kutatásainkat elsősorban orvosi
alkalmazások motiválták. Az 50-200 Mev energiájú protonok fontos szerepet
töltenek be a hadronterápiában. A lézeres-plazma gyorsítókat elhagyó, kb. 20
MeV energiájú protonok általunk javasolt technikával történő utógyorsításával
ezen energiaszint elérhetővé válik. Vélhetően így lényegesen egyszerűbb, és
költséghatékonyabb megoldáshoz jutunk, a hagyományos módszerekkel történő
direct gyorsításhoz képest.
Töltött részecskék gyorsítása az ELI-ALPS fő kutatási területei közt is
megjelenik.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az elmúlt másfél évtizedben a Pécsi Tudományegyetem vezető szerepet töltött be nemzetközi szinten a THz-es impulzusok előállításában. A csoportunk által megvalósított kísérletek során a csúcs térerősség közel elérte az 1 MV/cm-es, míg az energia az 1 mJ-os értéket. Ezen eredmények pedig azt mutatják, hogy a THz-es impulzusok sikeresen alkalmazhatók részecskegyorsításra. A hagyományos mikrohullámokon alapuló elektron és protongyorsítók gyorsítási gradiensét korlátozza az alkalmazott anyagok tulajdonságai, ezért ezek a gyorsítási berendezések óriási méretűek, fenntartási költségük magas, továbbá a hozzáférésük korlátozott. Ezért, az utóbbi időben több javaslat érkezett arra, hogy hatékonyan felhasználják a nagyenergiájú lézerek térerősségét részecskegyorsításra. Azonban a nagyenergiájú lézerek a közeli infravörös tartományban működnek, vagyis a hullámhosszuk előnytelen a javasolt alternatív gyorsítási technikákhoz. Ezzel szemben, a THz-es impulzusok hullámhossza néhány százszor hosszabb, mint az infravörös lézerek hullámhossza. A THz-s impulzusok energiája és térerőssége az utóbbi időben elérte azt a szintet, amivel hatékony részecskegyorsítás valósítható meg. Tervezzük a vizsgálatát és fejlesztését egy kompakt és olcsó THz-es impulzusokon alapuló elektron és protongyorsítókat.
Az alternatív elektrongyorsító megvalósulásával sok fontos mérés valósulhat meg a laboratórium az anyagvizsgálat területén. A THz-es proton utógyorsítás pedig közelebb viszi az országot a hadron terápiához, mely hatékony kezelést biztosítás a rákos sejtek ellen.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The size and cost of microwave-driven accelerators limit their applications. In principle, compact accelerators could be built with near-infrared driving. However, because of the short wavelength, the accelerated charge is limited to the unusable fC range. THz-driven accelerators, owing to the two orders of magnitude longer wavelength, may facilitate acceleration of electron bunches with a higher charge (up to nC).
The scientific aim of the present proposal is to investigate THz-driven compact particle accelerators and to develop the required THz sources.
1. We will examine possible near-single-cycle THz-pulse driven electron guns for producing few-ps-long electron bunches with 30-70 keV energy.
2. We will investigate a possible THz-pulse driven electron post-accelerator capable of producing 50-300 keV electron bunches. Such electrons are useful for ultrafast electron diffraction.
3. With computer simulations we will examine dielectric-structure based electron accelerators suitable to accelerate sub-relativistic electrons to relativistic energies up to 10 MeV.
4. We intend to examine an evanescent-wave proton postaccelerator capable of producing monoenergetic proton bunches around 70 MeV energy.
5. Based on our recent results on efficient LN and semiconductor THz sources, we will investigate ways for up-scaling the THz energy and improving the quality of the THz beams.
6. We will develop an OPA for producing few-tens-of-picosecond long, temporally intensity modulated pulses at 2 m wavelength. These pulses will be used for producing intense few-tens-of-picosecond long THz pulses. Such THz pulses are needed for driving the dielectric-structure based accelerator.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
This is a research project done in international cooperation. The aims of the research are the same (or at least very similar) at both partners: investigation and development of compact THz driven particle accelerators and their driving THz sources. However, both the investigated possible acceleration structures and the THz sources are in a large part different. The cooperation helps to identify the better solutions and methods in an early phase of the research.
Common important questions are the importance of the coulomb repulsion, and the damage threshold and other degradation of the optical materials used in the accelerator structures.
Specific question of our research are:
Concerning terahertz accelerators working with a low-energy electron bunch input, questions to be answered are what electron source is capable to create a charge bunch to be accelerated in a synchronized way and what geometry the accelerating field must have.
In case of dielectric structures for the acceleration of sub-relativistic electrons there are two important questions that need to be answered. One of them is what parameters of the structure are optimal for acceleration. The other question is how one can adjust the geometry of the accelerating structure to the increasing electron energy. The intense field can destruct the dielectric structure; how to avoid this also needs to be clarified.
Regarding the proton acceleration with an evanescent field, the most important question is how it is possible to decrease the required input proton energy.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Our research opens up new possibilities for the application of high-energy charged particles. Materials science requires short electron bunches of 0.1-10 MeV electron energy for ultrafast electron diffraction or electron energy loss spectroscopy. The new electron sources can also be used as seeders in free-electron lasers or for X-ray production. As a result of our research, experiments that can be performed with electrons will not require expensive and hard-to-access research infrastructure, researchers can carry out experiments with lab-scale devices.
The motivation of our studies concerning the proton postacceleration is to serve medical applications. Protons in the energy range of 50-200 MeV play important role in hadron therapy. According to our expectations our proton postaccelerator can be suitable to reach the lower part of this energy range if input proton bunches with 20 MeV are supplied for example by laser-plasma accelerators. Expectedly, it will be much simpler and cheaper to produce 20-MeV protons and postaccelerate them to 50-100 MeV, rather than directly accelerate protons to the 50-100 MeV level.
Acceleration of charged particles appears among the main research topics of ELI-ALPS. The approaches in this case are complementary. For example, at ELI-ALPS laser-plasma accelerators are planned for accelerating electrons to the GeV energy range, while the acceleration technique we intend to implement can generate lower-energy but more controlled electron bunches that are preferable for most of the possible applications. Dielectric laser acceleration (DLA) techniques are also investigated in the USA, mainly at the Stanford University. Near-infrared lasers are used to drive them. This strongly limits the possible accelerated charge to the fC level and excludes the synchronization among the initial electron source and the accelerator. The related research of Professor Kärtner's group were inspired by our publication on arXiv.org, therefore their approach is the most similar to ours. However, considering both the acceleration structures and the driving THz sources, they mainly investigate solutions which are complementary to ours.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In the last one and a half decade the Univ. Pécs played an internationally leading role in the generation of terahertz pulses. The energy and the peak value of the electric field of the terahertz radiation generated by our group reached nearly 1 mJ and 1 MV/cm, respectively, showing that the successful application of terahertz pulses to particle acceleration is feasible. In traditional microwave-based electron and proton accelerators the acceleration per unit length is limited by the properties of the applied materials. Therefore these acceleration devices are huge in size and have extremely high operational cost, and the access to them is limited. Recently, many suggestions were made to use the high electric field of high-energy laser pulses for particle acceleration. However, these high-energy lasers work in the near-infrared region, so their wavelength is disadvantageously short for the proposed alternative acceleration methods. In contrast, terahertz sources work in a wavelength range which is few hundred times longer than that of high-energy infrared lasers. The energy and peak electric field of terahertz sources have recently reached the level needed for effectively using them to particle acceleration. Our proposal is on the investigation and development of compact and cheap terahertz-driven electron and proton accelerators.
The realization of such alternative electron accelerators would ensure the in-lab feasibility of many important measurement methods in materials science, whereas terahertz postacceleration of protons can bring us closer to the Hungarian realization and the worldwide spread of the most effective radiotherapy of cancer cells: the hadron therapy.

Final report

Results in Hungarian

Új elrendezésű terahertzes impulzusforrásokat javasoltunk és modelleztünk, amelyek a numerikus számolások szerint alkalmasa a korábbinál több mint egy nagyságrenddel nagyobb (1 – 10 mJ) energiájú, és 10 MV/cm nagyságrendű elektromos térerősséggel rendelkező, egy- vagy néhány ciklusú terahertzes impulzusok előállítására. Az ilyen terahertzes impulzusokkal működtethető, relativisztikus energiájú ultrarövid elektroncsomagok előállítására alkalmas elektronágyút, elektron gyorsítót, valamint protoncsomagok energiájának növelésére, és energiabizonytalanságuk csökkentésére alkalmas gyorsítókat terveztünk és vizsgáltunk numerikus módszerekkel.

Results in English

We proposed and simulated new generation terahertz sources. According to numerical calculations, these terahertz sources are capable of generating single- or few-cycle THz pulses with more than one order of magnitude larger (1 – 10 mJ) energy, compared to the earlier sources. The achievable electric field is on the order of 10 MV/cm. We proposed and simulated terahertz pulse driven electron guns and accelerators which are able to produce ultrashort electron bunches with relativistic energy. We also proposed terahertz pulse driven proton post-accelerators, which are able to decrease the energy scattering of the protons.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=125808

Decision

Yes

List of publications

P. S. Nughara, G. Krizsan, Gy. Polónyi, M. I. Mechler, J. Hebling, Gy. Tóth, and J. A. Fülöp: Efficient semiconductor multicycle terahertz pulse source, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 51, 094007, 2018

Gy. Tóth, Z. Tibai, A. Sharma, J. A. Fülöp, and J. Hebling: Single-cycle attosecond pulses by Thomson backscattering of terahertz pulses, JOSA B 35, A103, 2018

Gy. Tóth, J. A. Fülöp, and J. Hebling: Periodically intensity-modulated pulses by optical parametric amplification for multicycle tunable terahertz pulse generation, Optics Express 25, 28258, 2017

Z. Tibai, M. Unferdorben, Sz. Turnár, A. Sharma, J. A. Fülöp, G. Almási, and J. Hebling: Relativistic electron aceleration by focused THz pulses, J. Phys B: At. Mol. Opt. Phys. 51, 134004, 2018

Z. Tibai, Gy. Tóth, A. Nagyváradi, A. Gyöngy, J.A. Fülöp, J. Hebling, G. Almási: Carrier-envelope-phase controlled attosecond pulse generation by undulator radiation, Frontiers in Physics, 2018

P. S. Nugraha, G. Krizsán, Cs. Lombosi, L. Pálfalvi, Gy. Tóth, G. Almási, J. A. Fülöp, and J. Hebling: Demonstration of a tilted-pulse-front pumped plane-parallel slab terhertzm source, Optics Letters, 2019

Gy. Tóth, L. Pálfalvi, J.A. Fülöp, G. Krizsán, N. H. Matlis, G. Almási, and J. Hebling: Numerical investigation of imaging-free terahertz generation setup using segmented tilted-pulse-front excitation, Optics Express, 2019

P. Salén , M. Basini , S. Bonetti, J. Hebling, M Krasilnikov , A. Nikitin , G. Shamuilov, Z. Tibai, V. Zhaunerchyk , V. Goryashko: Matter manipulation with extreme terahertz light: Progress in the enabling THz technology, Physics Reports 836-837, 1-74, 2019

B. Monoszlai, P. S. Nugraha, GY. Tóth, GY. Polónyi, L. Pálfalvi, L. Nasi, Z. Ollmann, E. J. Rohwer, G. Gaeumnann, J. Hebling, T. Feurer, and J. A. Fülöp: Measurement of four-photon absorption in GaP and ZnTe semiconductors, Optics Express, 28, 12352, 2020

Gy. Tóth, L. Pálfalvi, Z. Tibai, L. Tokodi, J. A. Fülöp, Zs. Márton, G. Almási, and J. Hebling: Single-cycle scalable terahertz pulse source in reflection geometry, Optics Express, 27, 30681, 2019

G. Krizsán, Z. Tibai, J. Hebling, L. Pálfalvi, G. Almási, Gy. Tóth: Lithium niobate and lithium tantalate based scalable terahertz pulse sources in reflection geometry, Optics Express közlésre elfogadva, 2020

L. Wang, Gy. Tóth, J. Hebling, F. Kärtner: Tilted-Pulse-Front Schemes for Terahertz Generation, Laser & Photonics Reviews 2000021 (1-7), 2020

Gy. Tóth, L. Pálfalvi, Sz. Turnár, Z. Tibai, G. Almási, J. Hebling: Performance comparison of lithium-niobate based extremely-high-field single-cycle terahertz sources, Chinese Optics Letters, közlésre elfogadva, 2021

Sz. Turnár, J. Hebling, J. A. Fülöp, Gy. Tóth, G. Almási, Z. Tibai: Design of a THz‑driven compact relativistic electron source, Applied Physics B 127, 38, 2021

Back »