2019-07-11 23:50:02
实验性微型加速器实现了创纪录的能量

DESY的科学家们已经取得了实验型微型粒子加速器的新世界纪录:太赫兹动力加速器首次将注入电子的能量增加了一倍以上。同时,与早期的技术实验相比,这种设置显着提高了电子束质量,正如DESF的自由电子激光科学中心(CFEL)的Dongfang Zhang和他的同事在Optica杂志上报道的那样。 “我们已经为太赫兹加速器获得了最佳的光束参数,”张说。

“这一结果代表了太赫兹动力加速器实际应用的关键一步,”DESY超快光学和X射线组负责人FranzKärtner强调说。太赫兹辐射位于电磁波谱中的红外和微波频率之间,并承诺新一代紧凑型粒子加速器。 “太赫兹辐射的波长比目前用于加速粒子的无线电波短约一百倍,”Kärtner解释道。 “这意味着加速器的组件也可以构建为小一百倍。”太赫兹方法承诺实验室大小的加速器将实现全新的应用,例如用于材料科学甚至医学成像的紧凑型X射线源。该技术目前正在开发中。

由于太赫兹波的振荡速度非常快,因此每个部件和每个步骤都必须精确同步。 “例如,为了获得最佳的能量增益,电子必须在加速半周期内准确地击中太赫兹场,”张解释说。在加速器中,颗粒通常不会以连续的光束飞行,而是以束状包装。由于快速变化的磁场,在太赫兹加速器中,这些束必须非常短,以确保沿着束的均匀加速条件。

“在之前的实验中,电子束太长了”,张说。 “由于太赫兹场振荡得如此之快,一束中的一些电子被加速,而其他电子甚至被放慢。因此,总的来说,平均能量收益只有适度,更重要的是,能量传播范围很广。导致我们所谓的光束质量差。“更糟糕的是,这种效应强烈地增加了发射率,这是衡量粒子束横向捆扎的程度。越紧,越好 - 发射率越小。

为了提高光束质量,Zhang和他的同事用他们之前开发的多功能设备构建了一个两步加速器:分段式太赫兹电子加速器和操纵器(STEAM)可以用太赫兹辐射压缩,聚焦,加速和分析电子束。研究人员将两台STEAM设备合并在一起。他们首先将进入的电子束从约0.3毫米长度压缩到仅0.1毫米。使用第二台STEAM设备,它们加速了压缩束。 “这个方案需要控制我们实现的千万亿分之一秒的水平,”张说:“这导致能量扩散减少了四倍,发射率提高了六倍,从而产生了迄今为止太赫兹加速器的最佳光束参数。 “

以55千电子伏(keV)的能量注入的电子的净能量增益为70keV。 “这是太赫兹动力加速器中首次超过100%的能量提升,”张强调。该耦合器件产生了一个加速场,其峰值强度为每米2亿伏(MV / m) - 接近最先进的最强传统加速器。对于实际应用,这仍然需要得到显着改善。 “我们的工作表明,即使电子束的压缩强度也要高出三倍以上。加上太赫兹的能量,每米千兆伏特的加速度梯度似乎是可行的,”张总结说。 “因此,太赫兹概念作为紧凑型电子加速器设计的现实选择似乎越来越有希望。”

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