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)

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。

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