上海交通大學物理與天文學院張傑院士和嚮導教授領導的課題組近期利用飛秒鐳射在週期極化鈮酸鋰晶體中產生的多週期窄帶太赫茲源,結合兆伏特超快電子繞射裝置提供的超短電子束,證明了相對論電子在釐米長度距離的尺度上實現高品質級聯加速的可行性;實驗中保持了電子束的能散和能量穩定性,獲得接近100%的級聯耦合效率,實現了從“太赫茲加速(THz acceleration)”邁向“太赫茲加速器(THz accelerator)”的突破。該工作以“Stable and Scalable Multistage Terahertz-Driven Particle Accelerator”為題發表在2021年8月的《物理評論快報》【H. Tang,L. Zhao et al.,Phys. Rev. Lett. 127,074801(2021)】。
粒子加速器在科研、國防、工業、醫療等領域有著廣泛的應用;以科研為例,1939年以後的諾貝爾物理學獎1/3與加速器相關。然而,傳統射頻加速器的規模與造價成為進一步提高加速能量的瓶頸障礙,也限制了加速器的進一步廣泛應用。為降低加速器的規模和造價,過去幾十年裏,电浆加速、雷射介質加速、太赫茲加速等先進加速概念與科技成為了加速器領域的重要研究方向。
圖1.傳統射頻加速結構vs基於雷射直寫科技及介質波導的太赫茲加速結構
張傑院士與嚮導教授課題組近年對强場太赫茲脈衝與相對論電子束的相互作用進行了系統研究,突破了太赫茲源、太赫茲結構精密製備(圖1)、太赫茲場與電子束精密同步匹配等多項科技挑戰,取得了利用太赫茲波長作為基準精確量測電子束時間資訊【Phys. Rev. X 8,021061(2018)】,太赫茲示波器【Phys. Rev. Lett. 122,144801(2019)】,太赫茲驅動電子束脈寬壓縮【Phys. Rev. Lett. 124,054802(2020)】等系列成果。近期,課題組利用尺寸比傳統射頻加速結構小100倍的直徑僅0.86毫米的介質波導,結合窄頻寬太赫茲源,實現了相對論電子束在介質波導中持續3釐米的穩定加速。通過改變電子束與太赫茲脈衝的延時,可精確觀察到作用距離和作用相位的改變所引起的電子束能量增益的變化,實驗結果與理論類比具有很高的符合度(圖2)。
圖2.太赫茲加速能量增益vs電子-太赫茲延時
在通過精確控制太赫茲的頻率分佈以新增有效作用距離方面,實驗中僅用100 nJ的太赫茲能量便實現了15 keV的淨能量增益,太赫茲能量轉化為電子束能量增益的效率達到了1.5 keV/nJ1/2,是現時實驗報導的最高效率,預示著利用mJ級別的太赫茲脈衝可實現MeV的能量增益。此外,超快電子繞射裝置提供的超短電子束,也為驗證太赫茲加速器的穩定級聯加速提供了可能。實驗中進一步利用兩個獨立的太赫茲源分別驅動電子束在兩段長度為3釐米的介質波導中實現了電子束的穩定級聯加速。得益於電子束較短的脈寬和較小的時間抖動,級聯加速實驗中維持了電子束的能散和能量穩定性(圖3),獲得接近100%的級聯耦合效率,實現了從“太赫茲加速”向“太赫茲加速器”的飛躍,為將來更多級的級聯提供了實驗依據。
圖3.高品質級聯太赫茲加速
本工作主要由上海市科委重大專案(No. 18JC1410700),基金委創新群體項目(No. 11721091),基金委傑青項目(No. 11925505)資助,課題組博士生湯恒與博士後趙淩榮為文章共同第一作者。
文章連結:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.074801
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