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微型双加速器可实现能量回收
发布时间:2020-05-18 08:37:21 阅读:46

来源:德国电子同步加速器研究所(Deutsches Elektronen-Synchrotron);电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 郑文杰 编译

使用长脉冲的级联太赫兹加速器的概念证明。微型加速器使用太赫兹辐射,可以将其回收用于第二阶段的加速。图片来源:DESY,科学传播实验室

    德国电子同步加速器研究所(DESY)的一组科学家构建了一个微型双粒子加速器,该加速器可以回收输入到系统中的部分激光能量,以第二次增强被加速电子的能量。该设备使用的窄带太赫兹辐射位于电磁频谱中的红外与射频频率之间,单个加速管的长度仅为1.5厘米,直径为0.79毫米。来自DESY自由电子激光科学中心(CFEL)的张东方和他的同事们在《Physical Review X》杂志上展示了他们的实验加速器。

    由于太赫兹辐射的短波长,实现设备的微型尺寸是可能的。“基于太赫兹的加速器已经成为下一代紧凑型电子源的有希望的候选者,”DESY的首席科学家、制造该设备的自由电子激光科学中心小组的负责人FranzKärtner解释说。科学家们之前已经成功地进行了太赫兹加速器的实验,这可能使大型粒子加速器不可行或不必要的应用成为可能。“但是,该技术仍处于早期阶段,实验中的太赫兹加速器的性能受到太赫兹脉冲与电子之间相互作用区域相对较短的限制,”Kärtner说。

    对于这种新设备,该团队使用了更长的脉冲,其中包含许多周期的太赫兹波。该多周期脉冲显著扩展了与粒子的相互作用区域。张说:“我们将多周期太赫兹脉冲馈入衬有介电材料的波导中。”脉冲速度在该波导内降低。一束电子正好及时地射入波导的中心部分,与脉冲一起传播。“这种方案将太赫兹脉冲和电子束之间的相互作用区域扩大到厘米范围,而在早期的实验中只有几毫米。”张说道。

    该设备在实验室中并未产生很大的加速度。但是,研究小组可以通过证明电子在波导中获得能量来证明这一概念。张说:“这是概念的证明。电子的能量从55千伏增加到约56.5千伏。通过使用更强的激光可以获得更强的加速度,并产生太赫兹脉冲。”

    该装置主要设计用于非相对论体系,这意味着电子的速度与光速不太接近。有趣的是,这一机制可以将太赫兹脉冲再循环用于第二阶段的加速。张解释说:“一旦太赫兹脉冲离开波导进入真空,它的速度就会恢复为光速。这意味着,脉冲会在几厘米范围内超越较慢的电子束。我们在合适的距离放置了第二个波导,电子和太赫兹脉冲一起进入波导,太赫兹脉冲再次被波导放慢了速度。通过这种方式,我们产生了第二个相互作用部分,进一步提高了电子的能量。”

    在实验室实验中,只有太赫兹脉冲的小部分可以通过这种方式回收。但实验表明,这种回收在原则上是可行的,张相信回收率可以大大提高。 自由电子激光科学中心小组的高级科学家兼项目负责人Nicholas Mattlis强调:“我们的级联方案将大大降低非相对论状态下电子加速所需的激光系统的需求,从而为基于太赫兹的加速器设计提供了新的可能性。”

 
 

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