实验性微型加速器实现了创纪录的能量

来源： 2024-06-27 06:45:03

导读 DESY的科学家们已经取得了实验型微型粒子加速器的新世界纪录：太赫兹动力加速器首次将注入电子的能量增加了一倍以上。同时，与早期的技术实...

DESY的科学家们已经取得了实验型微型粒子加速器的新世界纪录：太赫兹动力加速器首次将注入电子的能量增加了一倍以上。同时，与早期的技术实验相比，这种设置显着提高了电子束质量，正如DESF的自由电子激光科学中心(CFEL)的Dongfang Zhang和他的同事在Optica杂志上报道的那样。“我们已经为太赫兹加速器获得了最佳的光束参数，”张说。

“这一结果代表了太赫兹动力加速器实际应用的关键一步，”DESY超快光学和X射线组负责人FranzKärtner强调说。太赫兹辐射位于电磁波谱中的红外和微波频率之间，并承诺新一代紧凑型粒子加速器。“太赫兹辐射的波长比目前用于加速粒子的无线电波短约一百倍，”Kärtner解释道。“这意味着加速器的组件也可以建造大约小一百倍的太赫兹。“太赫兹方法承诺实验室大小的加速器可以实现全新的应用，例如用于材料科学甚至医学成像的紧凑型X射线源。该技术目前在发展。

由于太赫兹波的振荡速度非常快，因此每个部件和每个步骤都必须精确同步。“例如，为了获得最佳的能量增益，电子必须在加速半周期内准确地击中太赫兹场，”张解释说。在加速器中，颗粒通常不会以连续的光束飞行，而是以束状包装。由于快速变化的磁场，在太赫兹加速器中，这些束必须非常短，以确保沿着束的均匀加速条件。

“在之前的实验中，电子束太长了”，张说。“由于太赫兹场振荡得如此之快，一束中的一些电子被加速，而其他电子甚至被放慢。因此，总的来说，平均能量收益只有适度，更重要的是，能量传播范围很广。导致我们所谓的光束质量差。“ 更糟糕的是，这种效应强烈地增加了发射率，这是衡量粒子束横向捆扎的程度。越紧，越好 - 发射率越小。

为了提高光束质量，Zhang和他的同事用他们之前开发的多功能设备构建了一个两步加速器：分段式太赫兹电子加速器和操纵器(STEAM)可以用太赫兹辐射压缩，聚焦，加速和分析电子束。研究人员将两台STEAM设备合并在一起。他们首先将进入的电子束从约0.3毫米长度压缩到仅0.1毫米。使用第二台STEAM设备，它们加速了压缩束。“这个方案需要控制我们实现的千万亿分之一秒的水平，”张说：“这导致能量扩散减少了四倍，发射率提高了六倍，从而产生了迄今为止太赫兹加速器的最佳光束参数。 “

以55千电子伏(keV)的能量注入的电子的净能量增益为70keV。“这是太赫兹动力加速器中首次超过100%的能量提升，”张强调。该耦合器件产生了一个加速场，其峰值强度为每米2亿伏(MV / m) - 接近最先进的最强传统加速器。对于实际应用，这仍然需要得到显着改善。“我们的工作表明，即使电子束的压缩强度也要高出三倍以上。加上太赫兹的能量，每米千兆伏特的加速度梯度似乎是可行的，”张总结说。“ 太赫兹因此，概念作为紧凑型电子加速器设计的现实选择似乎越来越有希望。“

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