DESY科學(xué)家們創(chuàng)造了微型粒子加速器的一項(xiàng)新世界紀(jì)錄：一臺(tái)太赫茲功率加速器第一次將注入的電子能量提高了一倍多。與此同時(shí)，與早期實(shí)驗(yàn)相比，該裝置顯著提高了電子束質(zhì)量，已經(jīng)獲得了太赫茲加速器的最佳光束參數(shù)。

DESY超快光學(xué)和x射線小組的負(fù)責(zé)人Franz Kartner強(qiáng)調(diào)說(shuō)：這一結(jié)果代表著太赫茲驅(qū)動(dòng)的加速器實(shí)際應(yīng)用向前邁出了關(guān)鍵一步。太赫茲輻射位于電磁頻譜中的紅外和微波頻率之間，有望成為新一代的致密粒子加速器。

太赫茲輻射的波長(zhǎng)大約比目前用來(lái)加速粒子的無(wú)線電波短100倍，這意味著加速器的組件也可以被制造得比原來(lái)小100倍左右。太赫茲方法在實(shí)驗(yàn)室大小的加速器將使全新應(yīng)用成為可能，例如作為材料科學(xué)甚至醫(yī)學(xué)成像的緊湊x射線源，這項(xiàng)技術(shù)目前正在開(kāi)發(fā)中。由于太赫茲波振蕩得如此之快，每一個(gè)分量和每一步都必須精確同步。例如，為了獲得最佳的能量增益，電子必須恰好在加速半周時(shí)撞擊太赫茲場(chǎng)。

在加速器中，粒子通常不會(huì)在連續(xù)的光束中飛行，而是成群結(jié)隊(duì)地飛行。由于場(chǎng)的快速變化，在太赫茲加速器中，這些束必須非常短，以確保沿束加速度條件是均勻的。在以前實(shí)驗(yàn)中，電子束太長(zhǎng)了，由于太赫茲場(chǎng)振蕩得如此之快，束中的一些電子被加速了，而另一些甚至被減速了。所以，總的來(lái)說(shuō)，只有中等平均能量增益，更重要的是，能量廣泛傳播，導(dǎo)致了光束質(zhì)量差。更糟的是，這種效應(yīng)大大增加了發(fā)射率，這是一種測(cè)量粒子束橫向束束情況的方法。

越小越好，發(fā)射率越小，為了提高光束質(zhì)量，研究人員之前開(kāi)發(fā)的多用途設(shè)備制造了一個(gè)兩步加速器：分段太赫茲電子加速器和機(jī)械手(蒸汽)可以壓縮、聚焦、加速和分析帶有太赫茲輻射的電子束。研究人員將兩個(gè)蒸汽裝置串聯(lián)起來(lái)，首先將入射電子束的長(zhǎng)度從0.3毫米壓縮到0.1毫米。通過(guò)第二個(gè)蒸汽裝置，加速了壓縮束。這個(gè)方案需要控制在萬(wàn)億分之一秒的水平上，而且成功做到了，這使得能量傳播降低了四倍，發(fā)射率提高了六倍，從而獲得了迄今為止太赫茲加速器的最佳光束參數(shù)。

注入能量為55kev的電子凈能量增益為70kev。這是第一次太赫茲動(dòng)力加速器的能量提升超過(guò)100%。該耦合裝置產(chǎn)生了一個(gè)加速場(chǎng)，峰值強(qiáng)度為每米2億伏特(MV/m)——接近最先進(jìn)最強(qiáng)大的傳統(tǒng)加速器。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這還需要顯著改進(jìn)。研究表明，即使電子束壓縮強(qiáng)度超過(guò)三倍也是可能的。再加上更高的太赫茲能量，每米千兆伏特的加速度梯度也是可行的，太赫茲的概念似乎越來(lái)越有希望作為一個(gè)現(xiàn)實(shí)選擇，為設(shè)計(jì)小型電子加速器。

博科園｜研究/來(lái)自：DESY

參考期刊《Optica》

DOI: 10.1364/OPTICA.6.000872

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