實驗獲得微型加速器的能量達到記錄水平

圖片來源：德國電子同步加速器中心

上圖中所示為兩級微型加速器的工作頻率為太赫茲（紅色顯示）。在第一步（左）中，電子束（藍色顯示）被壓縮，在第二步（右）中，電子束被加速。這兩個單獨的元素各約兩厘米寬。

德國電子同步加速器中心的科學家們創造了一項實驗性微型粒子加速器的新世界紀錄：第一次利用一台太赫茲加速器使注入電子的能量增加了一倍多。同時，與早期的技術實驗相比，該裝置顯著提高了電子束的質量，正如來自自由電子激光科學中心（CFEL）的Dongfang Zhang和他的同事們在《光學Optica》雜誌上的報告中所說。「我們已經獲得了太赫茲加速器的最佳光束參數,」Zhang說。

「這一結果是實現太赫茲加速器的關鍵一步，」德國電子同步加速器中心超快光學和X光小組負責人Franz K?rtner強調說。太赫茲輻射位於電磁頻譜中的紅外和微波頻率之間，有望成為新一代緊湊型粒子加速器。「太赫茲輻射的波長比目前用來加速粒子的無線電波要短上百倍。這意味著加速器的組件也可以被建造成大約100倍的更小。」太赫茲的方法保證了實驗室大小的加速器，它將使全新的應用，例如材料科學的緊湊型X射線源，甚至可能是醫療IMagi的X射線源。天然氣。這項技術目前正在開發中。

由於太赫茲波的振蕩速度如此之快，因此每一個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，電子必須在其加速半周期內準確地撞擊太赫茲場，」Zhang解釋說。在加速器中，粒子通常不在連續的光束中飛行，而是成束地聚集在一起。由於磁場的快速變化，在太赫茲加速器中，這些束必須非常短，以確保束中均勻的加速度條件。

Zhang說：「在以前的實驗中，電子束太長了。由於太赫茲場振蕩如此之快，束中的一些電子被加速，而另一些甚至減慢。因此，總的來說，平均能量增益是中等的，更重要的是，能量擴散很廣，導致了我們所說的光束質量差，「更糟的是，這種效應強烈地增加了發射率，這是測量粒子束橫向束束束束束束的程度的一種方法。越緊越好，發射率越小。

為了提高光束質量，Zhang和他的同事用他們早期開發的一種多用途設備製造了一個兩步加速器：分段太赫茲電子加速器和機械手（蒸汽）可以壓縮、聚焦、加速和分析太赫茲輻射的電子束。研究人員把兩個蒸汽裝置串聯起來。他們首先將進入的電子束從大約0.3毫米的長度壓縮到只有0.1毫米。利用第二個蒸汽裝置，他們加速了壓縮的束流。」Zhang說：「這個方案需要控制一秒鐘的四次方波，我們實現了這一點，這導致能量擴散減少了四倍，發射率提高了六倍，產生了迄今為止太赫茲加速器的最佳光束參數。」

注入能量為55千電子伏（kev）的電子的凈能量增益為70 kev。「這是太赫茲加速器第一次超過100%的能量提升，」Zhang強調說。該耦合裝置產生了一個峰值強度為每米2億伏（mv/m）的加速場，接近最先進、最強的傳統加速器。在實際應用中，這一點仍需顯著改進。「我們的研究表明，即使電子束的壓縮強度是電子束的三倍以上也是可能的。再加上更高的太赫茲能量，以每米千兆伏為單位的加速度梯度似乎是可行的，」。因此，太赫茲概念作為緊湊型電子加速器設計的一個現實選擇似乎越來越有希望。」

來源：https://phys.org/news/2019-07-experimental-mini-accelerator-energy.html

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