近日,清華大學(xué)工程物理系黃文會(huì),顏立新團(tuán)隊(duì)完成了世界上首次相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)太赫茲加速方案的原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了太赫茲波對(duì)相對(duì)論電子束的兩級(jí)級(jí)聯(lián)加速,將太赫茲加速領(lǐng)域的加速梯度和能量增益提高了一個(gè)量級(jí)。該成果填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)在太赫茲加速在高能段的技術(shù)空白,驗(yàn)證了一條切實(shí)可行的高能量太赫茲加速器的技術(shù)路線,并為太赫茲加速技術(shù)超快科學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)物理、先進(jìn)光源與新加速器等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)全新的機(jī)遇。
圖1 級(jí)聯(lián)太赫茲加速器概念圖 粒子加速器是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的重要研究工具,人們通過(guò)大型粒子對(duì)撞機(jī)研究物質(zhì)世界的基本組成,利用先進(jìn)的加速器光源探索精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的射頻加速器在過(guò)去的近百年中為現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn),然而受限于射頻擊穿效應(yīng),基于傳統(tǒng)射頻加速技術(shù)的下一代高能粒子加速器面臨裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴等技術(shù)挑戰(zhàn)。太赫茲加速技術(shù)以其超高的加速梯度、極短的脈沖寬度和可靠的時(shí)間同步特性,有望將大型加速器縮小到普通的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模,在保證束流品質(zhì)的同時(shí)極大地降低了研究成本,為下一代大型加速器的發(fā)展帶來(lái)重大的技術(shù)革新。 2015麻省理工學(xué)院(MIT)成功進(jìn)行了太赫茲低能電子加速的原理性驗(yàn)證。2016年,第一支太赫茲電子槍成功問(wèn)世。隨后,DESY、UCLA、CLARA及上海交通大學(xué)等多家單位先后開展了新型太赫茲加速結(jié)構(gòu)、太赫茲電子操控、太赫茲束流診斷等關(guān)鍵技術(shù)的研究,將相關(guān)研究推向了新的熱潮。然而,目前的研究多集中在低能電子加速領(lǐng)域,相對(duì)論電子的太赫茲加速由于缺少超強(qiáng)太赫茲輻射源、高品質(zhì)超短超快電子束以及精密的同步控制技術(shù),近年來(lái)一直發(fā)展緩慢。此外,相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)加速作為加速器邁向高能不可缺少的核心技術(shù),仍是太赫茲加速領(lǐng)域中一個(gè)未被攻克的難題。尋找合適的加速方案,實(shí)現(xiàn)相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)加速,將會(huì)極大的推動(dòng)太赫茲加速技術(shù)的發(fā)展。
圖2 高梯度級(jí)聯(lián)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)示意圖 清華大學(xué)工程物理系加速器實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期致力于高亮度電子束物理、技術(shù)與應(yīng)用的研究。瞄準(zhǔn)這個(gè)研究方向,2017年7月黃文會(huì)、唐傳祥教授提出在工程物理系加速器實(shí)驗(yàn)室發(fā)展太赫茲加速技術(shù),深入研究新加速原理的核心物理與創(chuàng)新技術(shù),進(jìn)而建設(shè)緊湊型全光太赫茲加速器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本構(gòu)想。博士生胥漢勛深入開展了太赫茲加速實(shí)驗(yàn)的理論分析和物理設(shè)計(jì),與團(tuán)隊(duì)成員于2018年4月和2019年12月在清華大學(xué)加速器實(shí)驗(yàn)室湯姆遜散射源束線上開展高梯度級(jí)聯(lián)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)采用靈巧的雙束實(shí)驗(yàn)方案(如圖2所示),利用驅(qū)動(dòng)電子束基于相干渡越輻射(coherent transition radiation,CTR)產(chǎn)生強(qiáng)太赫茲脈沖,在太赫茲介質(zhì)管加速器中對(duì)后續(xù)跟隨的超短電子束進(jìn)行兩級(jí)同步加速。該方案利用同源的驅(qū)動(dòng)激光在加速器束線上同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)太赫茲波(132μJ)和超短的相對(duì)論電子束(34.3 MeV,460fsFWHM)并保證了二者的天然的時(shí)間同步特性,使得強(qiáng)太赫茲電場(chǎng)(1.1 GV/m)能夠穩(wěn)定的對(duì)相對(duì)論電子束進(jìn)行同步加速。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試和優(yōu)化,研究團(tuán)隊(duì)成功的實(shí)現(xiàn)了太赫茲波對(duì)相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)加速,觀測(cè)到了清晰的全束團(tuán)加速現(xiàn)象,所實(shí)現(xiàn)的加速梯度(155 MV/m)和加速能量(204 keV)相較于當(dāng)前世界上已報(bào)道的結(jié)果提高了一個(gè)量級(jí)(如圖3、4)。
圖3 單級(jí)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4 級(jí)聯(lián)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果 相關(guān)成果發(fā)表在在《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)上,論文題為“相對(duì)論電子束的高梯度級(jí)聯(lián)太赫茲加速”(Cascaded high-gradient terahertz-driven acceleration of relativistic electron beams)?!蹲匀弧す庾訉W(xué)》的評(píng)審人對(duì)該研究成果高度評(píng)價(jià),認(rèn)為這是“太赫茲加速領(lǐng)域內(nèi)里程碑式的突破”。這一研究成果是太赫茲加速領(lǐng)域中的重大技術(shù)突破,驗(yàn)證了太赫茲加速技術(shù)走向高能的技術(shù)可行性,有望將大型加速器縮小到普通實(shí)驗(yàn)室規(guī)模甚至桌面規(guī)模。目前,清華大學(xué)工程物理系正在積極開展和推動(dòng)全光太赫茲加速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論研究和物理設(shè)計(jì)工作,致力于建設(shè)世界一流的太赫茲加速實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究平臺(tái)。 清華大學(xué)工程物理系2016級(jí)博士生胥漢勛為論文的第一作者,清華大學(xué)工程物理系黃文會(huì)教授為通訊作者。參加該工作的還有工程物理系的顏立新副教授、杜應(yīng)超副教授、李任愷教授、施嘉儒副教授、唐傳祥教授以及工程物理系2017級(jí)博士生田其立、2016級(jí)博士生梁一凡和2018級(jí)博士生顧紹弘。該研究得到了國(guó)家自然學(xué)科基金和挑戰(zhàn)計(jì)劃的支持。
責(zé)任編輯:lq
-
加速器
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
789瀏覽量
37592 -
電子束
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
80瀏覽量
13197 -
太赫茲
+關(guān)注
關(guān)注
10文章
335瀏覽量
29074
原文標(biāo)題:清華大學(xué)在太赫茲加速領(lǐng)域取得重大進(jìn)展
文章出處:【微信號(hào):MEMSensor,微信公眾號(hào):MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論