世界上首次相對論電子束的級聯(lián)太赫茲加速方案的原理性驗證實驗

近日，清華大學工程物理系黃文會，顏立新團隊完成了世界上首次相對論電子束的級聯(lián)太赫茲加速方案的原理性驗證實驗，實現(xiàn)了太赫茲波對相對論電子束的兩級級聯(lián)加速，將太赫茲加速領(lǐng)域的加速梯度和能量增益提高了一個量級。該成果填補了長期以來在太赫茲加速在高能段的技術(shù)空白，驗證了一條切實可行的高能量太赫茲加速器的技術(shù)路線，并為太赫茲加速技術(shù)超快科學、強場物理、先進光源與新加速器等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來全新的機遇。

圖1 級聯(lián)太赫茲加速器概念圖 粒子加速器是現(xiàn)代科學發(fā)展的重要研究工具，人們通過大型粒子對撞機研究物質(zhì)世界的基本組成，利用先進的加速器光源探索精細的微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的射頻加速器在過去的近百年中為現(xiàn)代科學的發(fā)展做出了巨大貢獻，然而受限于射頻擊穿效應(yīng)，基于傳統(tǒng)射頻加速技術(shù)的下一代高能粒子加速器面臨裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴等技術(shù)挑戰(zhàn)。太赫茲加速技術(shù)以其超高的加速梯度、極短的脈沖寬度和可靠的時間同步特性，有望將大型加速器縮小到普通的實驗室規(guī)模，在保證束流品質(zhì)的同時極大地降低了研究成本，為下一代大型加速器的發(fā)展帶來重大的技術(shù)革新。 2015麻省理工學院（MIT）成功進行了太赫茲低能電子加速的原理性驗證。2016年，第一支太赫茲電子槍成功問世。隨后，DESY、UCLA、CLARA及上海交通大學等多家單位先后開展了新型太赫茲加速結(jié)構(gòu)、太赫茲電子操控、太赫茲束流診斷等關(guān)鍵技術(shù)的研究，將相關(guān)研究推向了新的熱潮。然而，目前的研究多集中在低能電子加速領(lǐng)域，相對論電子的太赫茲加速由于缺少超強太赫茲輻射源、高品質(zhì)超短超快電子束以及精密的同步控制技術(shù)，近年來一直發(fā)展緩慢。此外，相對論電子束的級聯(lián)加速作為加速器邁向高能不可缺少的核心技術(shù)，仍是太赫茲加速領(lǐng)域中一個未被攻克的難題。尋找合適的加速方案，實現(xiàn)相對論電子束的級聯(lián)加速，將會極大的推動太赫茲加速技術(shù)的發(fā)展。

圖2 高梯度級聯(lián)太赫茲加速實驗示意圖 清華大學工程物理系加速器實驗室長期致力于高亮度電子束物理、技術(shù)與應(yīng)用的研究。瞄準這個研究方向，2017年7月黃文會、唐傳祥教授提出在工程物理系加速器實驗室發(fā)展太赫茲加速技術(shù)，深入研究新加速原理的核心物理與創(chuàng)新技術(shù)，進而建設(shè)緊湊型全光太赫茲加速器實驗平臺的基本構(gòu)想。博士生胥漢勛深入開展了太赫茲加速實驗的理論分析和物理設(shè)計，與團隊成員于2018年4月和2019年12月在清華大學加速器實驗室湯姆遜散射源束線上開展高梯度級聯(lián)太赫茲加速實驗。研究團隊采用靈巧的雙束實驗方案（如圖2所示），利用驅(qū)動電子束基于相干渡越輻射（coherent transition radiation，CTR）產(chǎn)生強太赫茲脈沖，在太赫茲介質(zhì)管加速器中對后續(xù)跟隨的超短電子束進行兩級同步加速。該方案利用同源的驅(qū)動激光在加速器束線上同時產(chǎn)生強太赫茲波（132μJ）和超短的相對論電子束（34.3 MeV,460fsFWHM）并保證了二者的天然的時間同步特性，使得強太赫茲電場（1.1 GV/m）能夠穩(wěn)定的對相對論電子束進行同步加速。經(jīng)過不斷調(diào)試和優(yōu)化，研究團隊成功的實現(xiàn)了太赫茲波對相對論電子束的級聯(lián)加速，觀測到了清晰的全束團加速現(xiàn)象，所實現(xiàn)的加速梯度（155 MV/m）和加速能量（204 keV）相較于當前世界上已報道的結(jié)果提高了一個量級（如圖3、4）。

圖3 單級太赫茲加速實驗結(jié)果

圖4 級聯(lián)太赫茲加速實驗結(jié)果 相關(guān)成果發(fā)表在在《自然·光子學》（Nature Photonics）上，論文題為“相對論電子束的高梯度級聯(lián)太赫茲加速”（Cascaded high-gradient terahertz-driven acceleration of relativistic electron beams）。《自然·光子學》的評審人對該研究成果高度評價，認為這是“太赫茲加速領(lǐng)域內(nèi)里程碑式的突破”。這一研究成果是太赫茲加速領(lǐng)域中的重大技術(shù)突破，驗證了太赫茲加速技術(shù)走向高能的技術(shù)可行性，有望將大型加速器縮小到普通實驗室規(guī)模甚至桌面規(guī)模。目前，清華大學工程物理系正在積極開展和推動全光太赫茲加速實驗平臺的理論研究和物理設(shè)計工作，致力于建設(shè)世界一流的太赫茲加速實驗及應(yīng)用研究平臺。 清華大學工程物理系2016級博士生胥漢勛為論文的第一作者，清華大學工程物理系黃文會教授為通訊作者。參加該工作的還有工程物理系的顏立新副教授、杜應(yīng)超副教授、李任愷教授、施嘉儒副教授、唐傳祥教授以及工程物理系2017級博士生田其立、2016級博士生梁一凡和2018級博士生顧紹弘。該研究得到了國家自然學科基金和挑戰(zhàn)計劃的支持。

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