一個(gè)微型的粒子加速器

來源：萬象經(jīng)驗(yàn)

作者：Eugene Wang

引言

粒子加速器是一種利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)來加速帶電粒子，如電子、質(zhì)子或離子，使其達(dá)到非常高的能量的裝置。它們?cè)诳茖W(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域有許多應(yīng)用，如研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、制造醫(yī)用同位素或產(chǎn)生X射線。然而，大多數(shù)粒子加速器都非常龐大和昂貴，需要數(shù)公里的隧道或巨大的磁鐵來實(shí)現(xiàn)高加速度梯度（單位長度內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移率）。

最近有研究人員提出了一種新型的粒子加速器，它比傳統(tǒng)的加速器小得多也便宜得多，它使用激光光束來加速光子納米結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子。光子納米結(jié)構(gòu)是一種由硅制成的微小裝置，可以在納米尺度上操縱光。

研究人員證明了他們的光子納米電子加速器可以在僅500微米的距離內(nèi)將電子的能量提高43%，相當(dāng)于25GeV/m的加速度梯度。這比傳統(tǒng)加速器的典型梯度高得多，傳統(tǒng)加速器的梯度大約是0.1 GeV/m（線性加速器）或0.01 GeV/m（環(huán)形加速器）。研究人員還表明，他們的裝置可以在不同波長和脈沖持續(xù)時(shí)間的激光下工作，并且可以通過增加距離和能量來進(jìn)行擴(kuò)展。

光子納米電子加速原理

光子納米電子加速的基本思想是利用激光束在光子納米結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一個(gè)沿著結(jié)構(gòu)傳播并與穿過它的電子相互作用的電場(chǎng)。光子納米結(jié)構(gòu)是一個(gè)由硅脊在玻璃基底上周期排列而成的裝置，激光束通過一個(gè)光柵耦合器耦合到納米結(jié)構(gòu)中。

激光產(chǎn)生的電場(chǎng)有兩個(gè)分量：一個(gè)與電子運(yùn)動(dòng)方向平行的縱向分量，另一個(gè)與之垂直的橫向分量。縱向分量作為電子的加速力，而橫向分量作為電子束的聚焦力。

光子納米電子加速器的關(guān)鍵特征是它可以將電場(chǎng)的相位和速度與電子同步，使它們始終受到正的加速力和穩(wěn)定的聚焦力。這是通過精心設(shè)計(jì)硅脊的形狀和尺寸來實(shí)現(xiàn)的，它們決定了光子納米結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系。

通過調(diào)節(jié)色散關(guān)系，研究人員可以將光的相速度與電子的速度匹配，也可以將光的群速度與真空中光的速度匹配。這確保了電場(chǎng)始終與電子保持同相位，并且不會(huì)輻射損失能量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先，研究人員使用一個(gè)飛秒激光系統(tǒng)來測(cè)試他們的光子納米電子加速器，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生不同波長和持續(xù)時(shí)間的光脈沖。然后，他們使用一個(gè)掃描電子顯微鏡（SEM）將電子注入到納米結(jié)構(gòu)中，SEM可以產(chǎn)生能量從0.5 keV到30 keV不等的電子束。最后，他們使用一個(gè)能量分析器和一個(gè)熒光屏來測(cè)量電子在離開納米結(jié)構(gòu)后的能量和空間分布。

研究發(fā)現(xiàn)，他們的裝置可以加速初始能量從10 keV到30 keV的電子，相當(dāng)于速度從0.6c到0.8c。他們觀察到最大能量增益為12.3 keV，對(duì)應(yīng)于初始能量為28.4 keV的電子，最終能量為40.7 keV。這相當(dāng)于在500微米的距離內(nèi)的每米25 GeV/m的加速度梯度。

研究還發(fā)現(xiàn)他們的裝置可以將電子聚焦成一束窄而穩(wěn)定的束流，其發(fā)散角小于1毫弧度，這比SEM產(chǎn)生的電子束的初始發(fā)散角小得多。他們表明，聚焦效應(yīng)與電子的初始能量和角度無關(guān)，并且可以通過改變激光脈沖的波長和持續(xù)時(shí)間來控制。

他們的裝置可以在波長從780 nm到1560 nm，以及脈沖持續(xù)時(shí)間從100 fs到10 ps下工作。他們表明，加速度梯度隨著波長增加而增加，隨著脈沖持續(xù)時(shí)間減少而減少，而聚焦效應(yīng)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)不敏感。他們還表明，他們的裝置可以通過使用多個(gè)納米結(jié)構(gòu)串聯(lián)來擴(kuò)展到更長的距離，并且可以與芯片上的其他光子元件集成。

審核編輯：湯梓紅