DESY科学家们创造了微型粒子加速器的一项新世界纪录：一台太赫兹功率加速器第一次将注入的电子能量提高了一倍多。与此同时，与早期实验相比，该装置显著提高了电子束质量，已经获得了太赫兹加速器的最佳光束参数。DESY超快光学和x射线小组的负责人Franz Kartner强调说：这一结果代表着太赫兹驱动的加速器实际应用向前迈出了关键一步。太赫兹辐射位于电磁频谱中的红外和微波频率之间，有望成为新一代的致密粒子加速器。
太赫兹辐射的波长大约比目前用来加速粒子的无线电波短100倍，这意味着加速器的组件也可以被制造得比原来小100倍左右。太赫兹方法在实验室大小的加速器将使全新应用成为可能，例如作为材料科学甚至医学成像的紧凑x射线源，这项技术目前正在开发中。由于太赫兹波振荡得如此之快，每一个分量和每一步都必须精确同步。
例如，为了获得最佳的能量增益，电子必须恰好在加速半周时撞击太赫兹场。在加速器中，粒子通常不会在连续的光束中飞行，而是成群结队地飞行。由于场的快速变化，在太赫兹加速器中，这些束必须非常短，以确保沿束加速度条件是均匀的。
在以前实验中，电子束太长了，由于太赫兹场振荡得如此之快，束中的一些电子被加速了，而另一些甚至被减速了。所以，总的来说，只有中等平均能量增益，更重要的是，能量广泛传播，导致了光束质量差。更糟的是，这种效应大大增加了发射率，这是一种测量粒子束横向束束情况的方法。越小越好，发射率越小，为了提高光束质量，研究人员之前开发的多用途设备制造了一个两步加速器：
分段太赫兹电子加速器和机械手(蒸汽)可以压缩、聚焦、加速和分析带有太赫兹辐射的电子束。研究人员将两个蒸汽装置串联起来，首先将入射电子束的长度从0.3毫米压缩到0.1毫米。通过第二个蒸汽装置，加速了压缩束。这个方案需要控制在万亿分之一秒的水平上，而且成功做到了，这使得能量传播降低了四倍，发射率提高了六倍，从而获得了迄今为止太赫兹加速器的最佳光束参数。
注入能量为55kev的电子净能量增益为70kev。这是第一次太赫兹动力加速器的能量提升超过100%。该耦合装置产生了一个加速场，峰值强度为每米2亿伏特(MV/m)——接近最先进最强大的传统加速器。对于实际应用来说，这还需要显著改进。研究表明，即使电子束压缩强度超过三倍也是可能的。再加上更高的太赫兹能量，每米千兆伏特的加速度梯度也是可行的，太赫兹的概念似乎越来越有希望作为一个现实选择，为设计小型电子加速器。
博科园｜研究/来自：DESY
参考期刊《Optica》
DOI: 10.1364/OPTICA.6.000872
发表于 2020-3-17 02:23
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