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admin2021-03-1380

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  克日,清华大学工程物理系黄文会,颜立新团队完成了天下上首次相对论电子束的级联太赫兹加速方案的原理性验证实验,实现了太赫兹波对相对论电子束的两级级联加速,将太赫兹加速领域的加速梯度和能量增益提高了一个量级。该功效填补了耐久以来在太赫兹加速在高能段的手艺空缺,验证了一条切实可行的高能量太赫兹加速器的手艺蹊径,并为太赫兹加速手艺超快科学、强场物理、先进光源与新加速器等领域的应用带来全新的时机。

图1 级联太赫兹加速器看法图

  粒子加速器是现代科学生长的主要研究工具,人们通过大型粒子对撞机研究物质天下的基本组成,行使先进的加速器光源探索细腻的微观结构。传统的射频加速器在已往的近百年中为现代科学的生长做出了伟大孝顺,然而受限于射频击穿效应,基于传统射频加速手艺的下一代高能粒子加速器面临装置结构庞大,造价昂贵等手艺挑战。太赫兹加速手艺以其超高的加速梯度、极短的脉冲宽度和可靠的时间同步特征,有望将大型加速器缩小到通俗的实验室规模,在保证束流品质的同时极大地降低了研究成本,为下一代大型加速器的生长带来重大的手艺刷新。

  2015麻省理工学院(MIT)乐成举行了太赫兹低能电子加速的原理性验证。2016年,第一支太赫兹电子枪乐成问世。随后,DESY、UCLA、CLARA及上海交通大学等多家单元先后开展了新型太赫兹加速结构、太赫兹电子操控、太赫兹束流诊断等要害手艺的研究,将相关研究推向了新的热潮。然而,现在的研究多集中在低能电子加速领域,相对论电子的太赫兹加速由于缺少超强太赫兹辐射源、高品质超短超快电子束以及周详的同步控制手艺,近年来一直生长缓慢。此外,相对论电子束的级联加速作为加速器迈向高能不能缺少的焦点手艺,仍是太赫兹加速领域中一个未被攻克的难题。寻找合适的加速方案,实现相对论电子束的级联加速,将会极大的推动太赫兹加速手艺的生长。

图2 高梯度级联太赫兹加速实验示意图

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  清华大学工程物理系加速器实验室耐久致力于高亮度电子束物理、手艺与应用的研究。瞄准这个研究偏向,2017年7月黄文会、唐传祥教授提出在工程物理系加速器实验室生长太赫兹加速手艺,深入研究新加速原理的焦点物理与创新手艺,进而建设紧凑型全光太赫兹加速器实验平台的基本构想。博士生胥汉勋深入开展了太赫兹加速实验的理论剖析和物理设计,与团队成员于2018年4月和2019年12月在清华大学加速器实验室汤姆逊散射源束线上开展高梯度级联太赫兹加速实验。研究团队接纳灵巧的双束实验方案(如图2所示),行使驱动电子束基于相关渡越辐射(coherent transition radiation,CTR)发生强太赫兹脉冲,在太赫兹介质管加速器中对后续追随的超短电子束举行两级同步加速。该方案行使同源的驱动激光在加速器束线上同时发生强太赫兹波(132μJ)和超短的相对论电子束(34.3 MeV,460fsFWHM)并保证了二者的自然的时间同步特征,使得强太赫兹电场(1.1 GV/m)能够稳固的对相对论电子束举行同步加速。经由不停调试和优化,研究团队乐成的实现了太赫兹波对相对论电子束的级联加速,观察到了清晰的全束团加速征象,所实现的加速梯度(155 MV/m)和加速能量(204 keV)相较于当宿天下上已报道的效果提高了一个量级(如图3、4)。

图3 单级太赫兹加速实验效果

图4 级联太赫兹加速实验效果

  相关功效揭晓在在《自然·光子学》(Nature Photonics)上,论文题为“相对论电子束的高梯度级联太赫兹加速”(Cascaded high-gradient terahertz-driven acceleration of relativistic electron beams)。《自然·光子学》的评审人对该研究功效高度评价,以为这是“太赫兹加速领域内里程碑式的突破”。这一研究功效是太赫兹加速领域中的重大手艺突破,验证了太赫兹加速手艺走向高能的手艺可行性,有望将大型加速器缩小到通俗实验室规模甚至桌面规模。现在,清华大学工程物理系正在起劲开展和推动全光太赫兹加速实验平台的理论研究和物理设计事情,致力于建设天下一流的太赫兹加速实验及应用研究平台。

  清华大学工程物理系2016级博士生胥汉勋为论文的第一作者,清华大学工程物理系黄文会教授为通讯作者。加入该事情的另有工程物理系的颜立新副教授、杜应超副教授、李任恺教授、施嘉儒副教授、唐传祥教授以及工程物理系2017级博士生田其立、2016级博士生梁一凡和2018级博士生顾绍弘。该研究获得了国家自然学科基金和挑战设计的支持。

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