Un canon à électrons de grande puissance miniaturisé

Les faisceaux pulsés d’électrons ultra courts ( 1 femtosec = 10-15 sec) et de forte densité d’énergie ( 1 keV par impulsion) ont de nombreuses et importantes applications, tant en imagerie scientifique qu’en spectroscopie par diffraction d’électrons. Ces électrons à vitesse proche de la lumière peuvent aussi être injectés dans des accélérateurs afin de générer des sources de rayons-X de très courte longueur d’onde. Les canons à électrons classiques utilisés pour les produire nécessitaient jusqu’ici de coûteuses alimentations d’un encombrement comparable à celui d’une voiture.

 Une équipe de chercheurs de l’Université de Hambourg, en Allemagne et du MIT, Cambridge, USA, dirigée par le professeur Franz Kärtner a introduit une nouvelle technique de canons à électrons utilisant pour l’accélération de ceux-ci des ondes électromagnétiques du domaine du THz (1 térahertz =1012 Hz). La taille de l’appareil devient celle d’une boîte à chaussure et sa consommation d’énergie est bien plus faible.

On appelle ondes térahertz (THz) des ondes électromagnétiques dont la fréquence s’étend de 300 GHz à 10 THz. Le schéma ci-dessous montre leur place entre microondes millimétriques et infrarouge : spectre-thz-_500_f

Le premier canon à électrons à accélération par ondes THz

Dans un canon à électrons classique, on émet des électrons à l’aide d’une cathode chauffée et, pour obtenir un faisceau rectiligne, on les accélère aussi vite que possible à l’aide d’un champ électrique continu ou radiofréquence.  Les chercheurs ont d’abord construit un appareil  constitué d’une cathode en cuivre sur laquelle est dirigé un faisceau laser femtoseconde (impulsion de 525 fs de durée. ) de 515 nm de longueur d’onde qui libère par effet photoélectrique des électrons. Ceux-ci  sont accélérés par une impulsion d’onde électromagnétique de fréquence 0,45 THz dont la durée est celle d’une période de l’onde (≈10-12s). Cela est schématisé Fig.1. ci-dessous

Un laser femtoseconde produit des impulsions d’onde électromagnétique ultra-courte dont la durée est de quelques femtosecondes ( 1 fs = 10−15 seconde) soit de l’ordre de grandeur de la période d’une onde électromagnétique du visible.

 

 

Fig 1. Schéma du premier dispositif expérimental Des électrons sont émis par une cathode plate en cuivre sous l’effet d’une impulsion laser (longueur d’onde 525 nm) d’une durée de 525 fs. Une impulsion d’une onde électromagnétique THZ d’une durée d’un cycle accélère ces électrons. Adapté de Toward a terahertz-driven electron gun, W. Ronny Huang, Emilio A. Nanni, Koustuban Ravi, Kyung-Han Hong, Arya Fallahi, Liang Jie Wong, Phillip D. Keathley, Luis E. Zapata & Franz X. Kärtner SCIENTIFIC REPORTS, 5:14899, 21 October 2015

Fig 1. Schéma du premier dispositif expérimental
Des électrons sont émis par une cathode plate en cuivre sous l’effet d’une impulsion laser (longueur d’onde 525 nm) d’une durée de 525 fs. Une impulsion d’une onde électromagnétique THZ d’une durée d’un cycle accélère ces électrons.
Adapté de Toward a terahertz-driven electron gun,
W. Ronny Huang, Emilio A. Nanni, Koustuban Ravi, Kyung-Han Hong, Arya Fallahi, Liang Jie Wong, Phillip D. Keathley, Luis E. Zapata & Franz X. Kärtner
SCIENTIFIC REPORTS, 5:14899, 21 October 2015

 

Avec un tel système, on obtient des impulsions d’électrons dont la charge est de 50 femto-coulombs  (1 fC= 10-15 C) avec des énergies de plusieurs dizaines d’électron-volts.

Les chercheurs ont alors perfectionné  ce système pour avoir un champ électrique d’accélération des  électrons plus élevé.

 

Le modèle compact du canon à électrons  THz

On utilise un seul laser infrarouge ( longueur d’onde 1,03 µm) pour fabriquer une impulsion UV (ultraviolet) destinée à extraire les électrons et l’impulsion THz  qui va les accélérer.

Pour obtenir l’impulsion UV (258 nm de longueur d’onde), on doit multiplier la fréquence du laser.  On prend 1% du faisceau laser pompe  et on multiplie par 4 sa fréquence fondamentale par génération d’harmonique dans deux cristaux successifs de bêta borate de baryum (Ba(BO2)2, appelé BBO). La durée d’impulsion correspond à un seul cycle de l’onde THz.

Cette fois-ci, la photocathode d’émission des électrons est un film mince de cuivre qui fait partie d’un guide d’onde à faces parallèles écartées de 75 µm (Fig.2.). Cette structure résonnante où arrive le champ électromagnétique THz permet d’augmenter l’amplitude de celui-ci. La photocathode est attaquée sur sa face arrière par le faisceau pulsé de lumière UV  qui produit des électrons à l’intérieur de la cavité.

L’impulsion THz  à haute intensité est obtenue en envoyant 99 % du faisceau laser pulsé de 1030 nm (1,03 µm) de longueur d’onde sur un cristal de niobate de lithium (LiNbO3) qui agit comme un redresseur.

Un cristal redresseur agit sur le champ électrique d’une onde électromagnétique. Il fournit une onde de plus basse fréquence proportionnelle à l’enveloppe de la précédente selon le schéma ci-dessous :  image-optical-rectification_500

 

Le fait d’utiliser un seul laser pompe pour l’excitation ultraviolette des électrons et la génération de l’onde THz entraîne une parfaite synchronisation entre l’émission d’électrons et l’impulsion THz qui va les accélérer. Ainsi chaque bouffée d’électrons émise dans la cavité guide d’onde est accélérée par une impulsion THZ correspondante.

Fig.2.Canon à électrons compact avec accélération par THz. -Une impulsion THz de la durée d’un cycle est générée par redressement du champ électrique de l’onde laser dans un cristal de niobate de lithium. Deux miroirs paraboliques la focalisent au centre du guide d‘onde à faces parallèles qui constitue le canon à électrons.La photocathode attaquée sr sa face inférieure par l’UV émet une bouffée d’électrons qui est accélérée par le champ électrique THz. -On a figuré dans l’insert circulaire en haut à droite une section transverse du canon montrant les électrons libérés par le rayonnement UV accélérés par le champ THz. Ils sortent de la cavité par la fente de la plaque supérieure. Adapté de Terahertz-driven, all-optical electron gun W. RONNY HUANG, ARYA FALLAHI, XIAOJUN WU, HUSEYIN CANKAYA, ANNE-LAURE CALENDRON, KOUSTUBAN RAVI, DONGFANG ZHANG, EMILIO A. NANNI, KYUNG-HAN HONG, AND FRANZ X. KÄRTNER OPTICA, Vol. 3, No. 11 / November 2016, 1209

Fig.2. Canon à électrons compact avec accélération par THz.
-Une impulsion THz de la durée d’un cycle est générée par redressement du champ électrique de l’onde laser dans un cristal de niobate de lithium. Deux miroirs paraboliques la focalisent au centre du guide d‘onde à faces parallèles qui constitue le canon à électrons.La photocathode attaquée sur sa face inférieure par l’UV émet une bouffée d’électrons qui est accélérée par le champ électrique THz.
-On a figuré dans l’insert circulaire en haut à droite une section transverse du canon montrant les électrons libérés par le rayonnement UV accélérés par le champ THz. Ils sortent de la cavité par la fente de la plaque supérieure.
Adapté de Terahertz-driven, all-optical electron gun
W. RONNY HUANG, ARYA FALLAHI, XIAOJUN WU, HUSEYIN CANKAYA, ANNE-LAURE CALENDRON, KOUSTUBAN RAVI, DONGFANG ZHANG, EMILIO A. NANNI, KYUNG-HAN HONG, AND FRANZ X. KÄRTNER
OPTICA, Vol. 3, No. 11 / November 2016, 1209

La figure suivante illustre la petite taille du canon à électrons.

Fig.3 Photo du canon à électrons tenu à bout de doigts. Adapté de Terahertz-driven, all-optical electron gun W. RONNY HUANG, ARYA FALLAHI, XIAOJUN WU, HUSEYIN CANKAYA, ANNE-LAURE CALENDRON, KOUSTUBAN RAVI, DONGFANG ZHANG, EMILIO A. NANNI, KYUNG-HAN HONG, AND FRANZ X. KÄRTNER OPTICA, Vol. 3, No. 11 / November 2016, 1209

Fig.3 Photo du canon à électrons tenu à bout de doigts.
Adapté de Terahertz-driven, all-optical electron gun
W. RONNY HUANG, ARYA FALLAHI, XIAOJUN WU, HUSEYIN CANKAYA, ANNE-LAURE CALENDRON, KOUSTUBAN RAVI, DONGFANG ZHANG, EMILIO A. NANNI, KYUNG-HAN HONG, AND FRANZ X. KÄRTNER
OPTICA, Vol. 3, No. 11 / November 2016, 1209

 

On obtient avec ce montage des bouffées d’électrons d’une énergie maximale de 800 eV  pour une énergie de l’onde THz de 37,5 microjoules. Ces canons à électrons miniature sde haute énergie peuvent être directement utilisés pour la spectroscopie par diffraction d’électrons ultra rapides et fournir des informations sur des réactions chimiques ou des changements d’état.  On peut aussi injecter  ces électrons de haute énergie dans des accélérateurs de particules pour obtenir des sources de rayons X de très courte longueur d’onde.

Les mêmes équipes de Hambourg et du MIT ont réalisé l’an dernier un prototype d’un minuscule accélérateur linéaire pouvant remplacer les lourdes installations des accélérateurs classiques de particules. La conjonction de cette technique avec le nouveau canon à électron pourrait permettre aux scientifiques de disposer dans un faible encombrement   de la puissance d’imagerie des impulsions  de rayons X de longueur d’onde ultra-courte sans avoir besoin d’aller  monter leurs expériences dans les grands accélérateurs.

 

Les  chercheurs pensent aussi pouvoir abaisser la durée des bouffées d’électrons, actuellement d’une centaine de femtosecondes jusqu’à la femtoseconde (≈10-15 s).  Une bouffée d’électrons d’une durée d’une seule femtoseconde  devrait générer des  impulsions de rayons X d’une durée de l’ordre de l’attoseconde (10-18 s ) utilisables pour l’imagerie en temps réel des mécanismes cellulaires. Cela reviendrait à disposer d’un véritable cinéma rapide en ultra-violet.

 

 

Pour en savoir plus :
Terahertz-driven, all-optical electron gun, RONNY HUANG, ARYA FALLAHI, XIAOJUN WU, HUSEYIN CANKAYA, ANNE-LAURE CALENDRON, KOUSTUBAN RAVI, DONGFANG ZHANG, EMILIO A. NANNI, KYUNG-HAN HONG, AND FRANZ X. KÄRTNER
OPTICA, Vol. 3, No. 11 / November 2016, 1209

Toward a terahertz-driven electron gun, Ronny Huang, Emilio A. Nanni, Koustuban Ravi, Kyung-Han Hong, Arya Fallahi, Liang Jie Wong, Phillip D. Keathley, Luis E. Zapata & Franz X. Kärtner
SCIENTIFIC REPORTS, 5:14899, 21 October 2015

Terahertz-driven linear electron acceleration
Emilio A. Nanni, Wenqian R. Huang, Kyung-Han Hong, Koustuban Ravi, Arya Fallahi, Gustavo Moriena, R. J. Dwayne Miller & Franz X. Kärtner,
Nature Communications, 6 Oct 2015, DOI : 10.1038/ ncomms9486

 

 

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