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可以提供更安全的X射线替代品的辐射技术
发布时间:2018-05-29 08:46:29 阅读:341

来源:斯特拉斯克莱德大学,格拉斯哥;电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组 朱浩 编译

    斯特拉斯克莱德大学和北京首都师范大学的科学家们正在研发一种新的超强太赫兹辐射源,它可以提供更安全的X射线替代品,并且在工业上有很大的应用前景。

    与可见光不同的是,太赫兹辐射可以穿透塑料、纸板、木材和复合材料等,使其成为用于成像和安检的有害X射线的绝佳替代品。

    尽管众所周知太赫兹电磁波可以提供超高带宽通信,远远超过Wi-Fi,但人们不太了解的是它还能成为探测分子和分析半导体的一个非常有用的探针。

    由斯特拉斯克莱德大学物理系的迪诺雅罗斯基(Dino Jaroszynski)教授领导的一个研究小组通过实验证明,通过激光尾场加速器(LWFA)除了能发射出高能低电荷的光束外,还可以产生超高电荷的相对论电子束。

    研究小组发现,当超强超短激光脉冲被集中到氦气中时,形成几乎以光速移动的等离子体气泡。这些高电荷的电子束不同于通常的低电荷(picocoloumb)、高能(100 s MeV到GeV)、从激光尾场加速器(LWFA)中观察到的持续时间为飞秒级的电子束。

    该研究已发表在New Journal of Physics.

    苏格兰应用等离子加速器中心(SCAPA)主任雅罗斯基教授启动了该项目,他表示:“这些太赫兹能量的效率是空前高效的,超强太赫兹辐射源不断升高的实用性将会给科学和技术领域提供全新的途径。

    “新工具为科学家带来了新的进展,超强太赫兹辐射与物质的相互作用能使其进入非线性过程,从而能够识别通常隐藏的现象,以及对物质的独特控制,例如使用强太赫兹场可扭曲半导体中的能带结构。

    “SCAPA为研究这些现象提供了一个理想的环境,这将促进科学取得新进展。我们的理论研究是朝着这个激动人心的新方向迈出的第一步。”

    斯特拉斯克莱德大学物理系的恩里科布鲁内蒂(Enrico Brunetti)博士在这项研究中进行了大量的模拟实验。他说:“因为广角光束电荷随着激光强度和等离子体密度呈线性增加,太赫兹辐射的能量将达到毫焦耳规模。这将使超强太赫兹源辐射源峰值功率超过GW,可与远红外自由电子激光器相媲美。可以达到1%的光-太赫兹转换效率。”

    来自首都师范大学的研究人员薛阳(音译)博士说:“当电子穿过介电常数不同的介质交界面时,发射的跃迁辐射会覆盖较广的频率范围。”

    “仿真结果表明,激光尾场加速器发射的广角电子束在穿过薄金属箔或加速器的等离子体-真空边界时可以产生能量为10s µJ至100s µJ的相干太赫兹辐射。”

    太赫兹辐射是远红外电磁辐射,它的频率在0.1 THz和10 THz之间(1 THz = 1012 Hz),它位于中红外和微波光谱之间。大分子的振动和旋转光谱指纹与太赫兹频带相吻合,这使得太赫兹光谱成为识别危险物质的有力工具,如药物和爆炸物。此外,太赫兹辐射对生物学和医学很重要,因为许多生物大分子,如DNA和蛋白质,在THz频率上会产生集体运动。

    太赫兹辐射还可用于揭示半导体和纳米结构的复杂性,因此是开发新型机电设备和太阳能电池的重要工具。

    激发太赫兹辐射有许多不同的方法,包括在半导体天线中驱动光电流,激发量子阱和光电晶体的光学整流。然而,由于高功率光学材料受到损坏,其最大功率受到限制。相比之下,等离子体因为已经被破坏而没有这样的限制。

    新的研究表明,这些高电荷、纳库精度(nanocoloumb)和相对低能量(MeV)亚皮秒持续时间的电子束在空心锥体内发射,其开口角度与激光束轴线呈45度左右。研究人员发现,激光能量可以有效地转化为超强THz辐射脉冲。

 
 

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