来源：phys.org；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 胡鹏飞 编译

该图示出了由太赫兹辐射驱动的微型电子枪。UV脉冲（蓝色）反射到电子枪阴极，在枪内产生高密度电子束。电子束立即被超强太赫兹脉冲加速到接近1千电子伏的能量。这些强场光学驱动电子枪可用于超快电子衍射或注入到X射线光源的加速器中。图片来源：W. Ronny Huang

    电子的超短脉冲在科学成像中具有一些重要的应用，但是产生它们通常需要比拟汽车尺寸的昂贵的、耗电的装置。

    麻省理工学院、德国同步加速器研究所和德国汉堡大学的研究人员在Optica杂志上描述了一种用于产生电子爆发的新技术，它可以在鞋盒大小的设备的基础上产生电子脉冲，其消耗的功率仅为先前技术的几分之一。

    超短电子束用于直接收集化学反应或物理状态变化时材料的信息。但是在突破粒子加速器半英里长的限制之后，它们也被用于产生超短X射线。

    同一组MIT和汉堡研究人员去年在自然通信方面报告了一个小型“线性加速器”的原型，它能够实现更大更贵的粒子加速器相同的目的。这项技术与更高能量型号的新“电子枪”一起，从而将超短X射线脉冲的成像技术用于学术和工业实验室工作中。

    实际上，虽然新论文中报道的电子爆发有几百飞秒的持续时间（这是现有最好的电子枪可以掌控的），但是研究人员的方法可以降低其持续时间从而实现到单飞秒。单飞秒的电子爆发可以产生阿秒X射线脉冲，这将实现在实际中对细胞机器的实时成像。

    麻省理工学院的电气工程博士生Ronny Huang作为第一作者在新的论文中说：“我们正在为使用X射线光源或电子束直接进行研究的化学家、物理学家和生物学家建立一个工具。由于这些电子束非常短，它们可以让你在分子发生化学反应时冻结分子内部的电子运动。飞秒X射线光源除了电子枪以外还需要更多的硬件。

    Huang解释道，尤其通过一种电子衍射成像的技术，物理学家和化学家可以使用超短脉冲电子来研究材料的状态变化，例如从导电状态到非导电状态的转变，以及在化学反应中分子之间（化学）键的产生和断裂。

    超短X射线脉冲和普通X射线拥有相同的优点：它们可以更深地穿透更厚的材料。目前用于产生超短X射线的方法是从汽车尺寸的电子枪发射电子脉冲通过近高达十亿美元、有近千米长的粒子加速器中进行加速。然后，它们通过称为“波动器”的两排磁体转换为X射线。

    Huang作为合作者的麻省理工-汉堡团队和来自马克斯•普朗克汉堡物质结构与动力研究所以及多伦多大学的同事在去年发表的论文中描述了一种新的加速电子的方法，可以将粒子加速器收缩到桌面尺寸。关于新的研究中，Huang说“这应该补充上的”。

    FranzKärtner是麻省理工学院电气工程教授，在2011年搬到德国同步加速器（研究所）和汉堡大学之前已经工作了10年。 Kärtner迄今仍然是麻省理工学院电子研究实验室的主要研究员，同时也是Huang的理论顾问。来自麻省理工学院和汉堡的八位同事在新论文上加上了Kärtner和Huang先生。

    亚波长约束

    研究人员设计的新电子枪是一种称为射频枪的装置的变体。但是射频枪使用射频（RF）辐射加速电子，而新装置使用的是微波与可见光之间的电磁辐射带的太赫兹辐射。

    研究人员所设计的火柴盒大小的的设备由两个铜板组成，它们的中心仅相距75微米。 每个板有两个弯曲，所以它看起来像一个三折的已经开封并放在在它一边的信。板向相反的方向弯曲，使得它们在它们的边缘处相隔最远——6毫米。

    其中一个板的中心是石英滑片，在其上沉积铜膜，铜膜最薄处仅为30纳米厚。紫外线激光器产生的短脉冲光在其最薄点处撞击薄膜，振荡从膜的相对侧上发射出的自由电子。

    同时，太赫兹辐射沿垂直于激光器的方向通过两板之间。所有电磁辐射可以被认为是由彼此垂直的电场和磁场构成。太赫兹辐射是偏振的，所以其电场分量可以加速电子直接向第二板运动。

    该系统的关键是，板的锥形部分将太赫兹辐射限制在比其自身波长还窄的一个75微米的间隙区域。“这是特别的地方，”黄说。“通常在光学中，你无法做到将实物限制在波长以下，但是使用这种结构我们能够做到。迫使它增加能量密度，从而增加其加速的功率。

    由于加速功率的增加，该设备可以使用远低于典型RF枪产生射频波束的功率来产生太赫兹波束。此外，同一型号的激光器可以产生紫外光束和太赫兹波束，以及部分额外的可见光分量。

    根据加利福尼亚大学洛杉矶分校物理学教授James Rosenzweig的说法，这是研究人员所做的系统中最吸引人的一个方面。Rosezweig说：“在激光和加速场之间定时振动的超快光源的主要问题之一是，这会产生各种系统效应，使得难以进行时间分辨的电子衍射。

    “在Kärtner的设备中，激光产生太赫兹辐射并产生光电子，因此振动被高度抑制。你可以做比现在所做的更成功的泵浦探针实验，其中激光是驱动器，电子是探针。当然这将是一个体积非常小并且成本适中的设备。因此，在这种情况下，它将会变得非常重要。