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德国国家研究中心电子同步加速器（DESY）的一组科学家建造出一个微型双粒子加速器，可以回收输入系统的部分激光能量，以第二次增加加速电子的能量。该装置使用位于电磁频谱中红外和无线电频率之间的窄带太赫兹辐射，单个加速管只有1.5厘米长，直径只有0.79毫米，其研究成果发表在《物理评论X》期刊上。


国家电子同步加速器首席科学家、制造该设备的CFEL小组负责人Franz Krtner说：由于太赫兹辐射的短波长，实现微型尺寸是可能的，基于太赫兹的加速器已经成为下一代小型型电子源的高潜力候选者。科学家们以前已经成功地用太赫兹加速器进行了实验，这可以使大粒子加速器不可行或不必要的应用成为可能，然而，这项技术仍处于早期阶段。


（上图所示）级联太赫兹加速器使用长脉冲的概念证明，微型加速器使用太赫兹辐射，可以将系统激光能量回收用于第二阶段的加速。图片：DESY, Science Communication Lab
实验太赫兹加速器的性能一直受到太赫兹脉冲与电子之间相对较短的相互作用部分限制。然而，这项技术仍处于早期阶段，实验太赫兹加速器的性能，受到了太赫兹脉冲与电子之间相对较短的相互作用部分限制。对于新设备，研究小组使用了更长的脉冲，包括许多周期的太赫兹波。该多周期脉冲显著延长了与粒子的相互作用部分。把多周期太赫兹脉冲送入排列着介质材料的波导中。


在波导内，脉冲的速度会降低，一束电子被及时射入波导的中心部分，以便与脉冲一起传播。这个方案将太赫兹脉冲和电子束之间的相互作用区域增加到厘米范围，而在早期的实验中只有几毫米。该装置在实验室中没有产生很大的加速度，然而研究小组可以通过证明电子在波导中获得能量来证明这一概念，这是一个概念的证明，电子的能量从55千伏增加到大约56.5千伏。


使用更强的激光产生太赫兹脉冲可以获得更强的加速度这个装置主要是为非相对论区域设计的，这意味着电子的速度不是那么接近光速。有趣的是，这一机制使得太赫兹脉冲能够循环用于第二阶段的加速。一旦太赫兹脉冲离开波导进入真空，它的速度就会被重置为光速。这意味着，脉冲在几厘米的跨度时间内超过了速度较慢的电子束。将第二个波导放置在电子进入它的正确距离，以及被波导再次减慢的太赫兹脉冲。


这样，就产生了第二个相互作用部分，进一步增强了电子的能量。在实验室实验中，只有一小部分太赫兹脉冲可以通过这种方式进行回收。但实验表明，回收理论上是可能的，研究人员相信回收的比例可以大幅增加。资深科学家尼古拉斯·马特利斯是CFEL小组该项目的组长，他强调：我们的级联方案将大大降低在非相对论区域对电子加速所需的激光系统需求，为基于太赫兹的加速器设计打开新的可能性。


博科园｜研究/来自：德国国家研究中心电子同步加速器
参考期刊《物理评论X》
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