来源：IntelligentThings

导读

        据德国电子同步加速器研究所（DESY）官网近日报道，该校在实验型微型粒子加速器领域创造了一项新的世界纪录。史上首次，这种太赫兹驱动的加速器将注入电子的能量提高了一倍多。

背景

        如今，前沿物理学的进步离不开强大的粒子加速器。通过高能粒子的碰撞，物理学家不断探索着宇宙的本质。简单说，粒子加速器就是一种能够将基本粒子加速到非常高能量的机器。它通过使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量。

（图片来源：CERN）

        可是，粒子加速器一般来说都是庞大、沉重、造价高昂的。例如，欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）深埋于地下，重约38000吨，长达27公里。

（图片来源：CERN）

        显然，这种大型粒子加速器操作和应用起来难度都很大。为了进一步方便粒子加速器操作并拓展其应用，科学家们正在研究更加小巧、便携、易操作的微型粒子加速器。

三颗“芯片上的加速器”（图片来源：美国SLAC国家加速器实验室）

创新

        近日，德国电子同步加速器研究所（DESY）的科学家们在实验型微型粒子加速器领域创造了一项新的世界纪录。史上首次，这种太赫兹驱动的加速器将注入电子的能量提高了一倍多。

        与此同时，正如张东方（音）博士及其来自DESY自由电子激光科学中心（CFEL）的同事们在《Optica》杂志上所报告的那样，相比于采用这项技术的早期实验，该装置显著改善了电子束的品质。张博士表示：“我们实现了目前为止对于太赫兹加速器来说最佳的光束参数。”

        DESY超高速光学与X射线研究组的领头人 Franz Kärtner 强调称：“这一成果代表朝着具体实现太赫兹驱动的加速器迈出了关键一步。”

技术

        在电磁频谱中，太赫兹辐射位于红外线与微波的频率之间，有望带来新一代紧凑型粒子加速器。

太赫兹辐射（图片来源：维基百科）

        Kärtner 解释道：“太赫兹辐射的波长大约是目前用于加速粒子的无线电波的百分之一。这意味着，加速器组件的尺寸也可以做成约为原来的百分之一。”太赫兹方案有望为实验室尺寸的加速器带来全新的应用，例如用于材料科学的小型X射线源，甚至可用于医疗成像。这项技术目前正在开发之中。

微型加速器STEAM（中间）被太赫兹辐射（黄色，来自于两侧）驱动。它可以加速、压缩、聚焦和分析入射的电子束（蓝色）（图片来源：DESY, Lucid Berlin）

        因为太赫兹波振荡得非常快，所以每个组件以及每一步都必须精准地同步。张博士解释道：“例如，为了实现最佳的能量增益，电子必须在其加速半周期之内准确击中太赫兹场。”在加速器中，粒子通常不会以连续粒子束的形式飞行，而是打包成一束一束。因为场在快速变化，在太赫兹加速器中，这些粒子束必须非常短，从而保证沿着粒子束的均等加速状态。

        张博士表示：“在之前的实验中，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，而另外一些甚至被减束了。所以，总的来说，这样只会产生适度的能量增益，而且更重要的是，能量广泛发散，导致了粒子束的品质变差。”更糟糕的是，这种效应大大增加了发射度，发射度可以度量粒子束横向束缚情况的好坏。粒子束缚得越紧越好（发射度越低）。

        为了改善光束质量，张博士及其同事们通过他们之前开发的多用途设备打造了一个两段式加速器：分段式太赫兹电子加速器与操作器（STEAM）可以压缩、聚焦、加速和分析具有太赫兹辐射的电子束。

STEAM 堪称电子束的瑞士军刀。根据运作模式，它将四个功能集于一身，可以压缩、聚焦、分析和加速电子束。（图片来源：DESY, Gesine Born）

        研究人员们将两个STEAM装置排成一行。他们首先将入射电子束的长度从约0.3毫米压缩至0.1毫米，然后再通过第二个STEAM设备，加速压缩后的电子束。

两段式微型加速器在太赫兹辐射（红色）下运作。第一步（左），电子束（蓝色）被压缩；第二步（右），电子束被加速。两个单独的元件每个大约是两厘米宽。（图片来源：DESY, Gesine Born）

价值

        张博士表示：“这个方案需要在千万亿分之一秒的水平上进行控制，而我们做到了。这将使得能量发散降低到四分之一，并将发射度降低为六分之一，从而获得迄今为止最佳的太赫兹加速器粒子束参数。”

        注入能量为55keV的电子的净能量增益为70keV。张博士强调：“这是首次在太赫兹驱动的加速器中实现超过100%的能量提升。”这个耦合装置产生出达2亿伏特/米的峰值强度，接近于最先进、最强大的传统加速器。然而对于实际应用来说，它仍有很大的改进空间。

        张博士总结道：“我们的研究表明，电子束的压缩强度即使超过三倍也是可能的。加上更高的太赫兹能量，每米千兆伏特的加速度梯度似乎也是可行的。因此，太赫兹概念越来越有希望成为设计小型电子加速器的一个现实选择。”

关键字

太赫兹、电子、加速器

参考资料

【1】Dongfang Zhang, Arya Fallahi, Michael Hemmer, Hong Ye, Moein Fakhari, Yi Hua, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Luis E. Zapata, Nicholas H. Matlis, Franz X. Kärtner. Femtosecond phase control in high field Terahertz driven ultrafast electron sources. Optica, 2019; DOI: 10.1364/OPTICA.6.000872

【2】http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1654&two_columns=1

【3】http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1371&two_columns=1