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太赫兹驱动的线性电子加速

发布时间: 2016-05-20 13:44:31   作者:本站编辑   来源: Nature communications   浏览次数:

     

   

  在便于制备传统电子源(如调速管等)的射频(RF)频率,加速结构的表面电场梯度会被射频引发的等离子体击穿限制。为了获得更高的加速梯度,目前已经实现基于啁啾脉冲放大的超快近红外太瓦以及皮瓦激光技术来获得几GeV m-1的加速梯度。然而,近红外光脉冲由于其波长短被认为难以利用在大电荷量的电子的直接加速中,而每束电子束所包含的电荷量是电子加速中的一个重要参数。另一方面,光周期与电子束抵达的时间精度也是一个实际操作需要考虑的问题。例如,通常可控加速器所要求的的相位抖动需要光周期与电子束之间小于100阿秒的时间抖动,然而这在长距离上通常难以保持。

  激光等离子体尾场加速器也可以实现GeV m-1的加速梯度,但由于其加速机制依赖于对不稳定性敏感的等离子体空泡,激光等离子体尾场加速器的复杂性也十分显著。

  太赫兹频率提供了最佳的途径。一方面,其波长足够长便于成熟的机械方法制作波导,从而实现精确的时间精度以及提供足够的电荷量。另一方面,其频率足够高使得表面电场的等离子体击穿阈值增加达几GeV m-1范围。

  太赫兹加速器的实验装置图如图1a所示,图1b为太赫兹LINAC的照片。利用直流电子枪的60keV电子,在3mm的作用长度内观察到7keV的能量增益,单周期的太赫兹脉冲,如图1c-e所示,由1.2mJ1.03μm1kHz的激光脉冲整流产生。太赫兹脉冲的偏振方向经分段玻片由线性变为径向后,耦合到具有10MVm-1峰值轴上电场的波导中。具有25fC的入射电子束由350fs紫外脉冲激发60keV的直流光阴极产生。在本实验的太赫兹结构中,单周期,10mJ的太赫兹加速梯度可以高达GeV m-1。本实验中,太赫兹波导可以维持与电子束速度相匹配的TM01模。其轴向分量会在其与电子在波导中传输的过程中对电子加速。

  

  1. (a)太赫兹LINAC示意图 (b)毫米规格太赫兹LINAC照片 (c)太赫兹脉冲的时域波形,以及内嵌频域波形

  (d)太赫兹波导出口处的时域太赫兹脉冲波形 (e)归一化的聚焦太赫兹强度

  2. (a)59kV微通道板在无太赫兹时记录的电子束横向电子密度 (b)有太赫兹  (c)模拟(红色)以及测量(黑色)的经磁偶极偏折的电子束能谱比较

 (d) 模拟(红色)以及测量(黑色)的经太赫兹加速的电子束能谱比较

  电子束的能量由取决于能量的磁转向仪器测量,磁转向仪为加速器尾端的磁偶极。图2ab展示了微通道板探测器产生的电子束。当初始平均能量为59keV时,分别在无太赫兹以及有太赫兹的条件下测量的电子束的能谱如图2cd所示。其中,能谱曲线与用于对直流电子枪以及太赫兹LINAC建模的PIC模拟结果进行了比较。利用太赫兹脉冲能量,通过优化电子束电压以及与太赫兹的时间匹配观测到了7keV的峰值能量增益。

  电子束与太赫兹相互作用过程取得的能量增益依赖于电子的初始能量,这是由于该装置是在电子速度变化迅速的非相对论极限下运行的。若初始能量降低,粒子速度也相应降低,则粒子与太赫兹的相速度失配将进一步减少相互作用长度以及对粒子的加速。图3a所示为加速电子的平均能量与初始能量的对比。更高的初始能量在实验上被发现有利于获得更高的能量增益。图3b展示了加速电子的平均能量增益作为与太赫兹延时的函数,其中电子的初始能量为55keV。观察到加速的结果来源于较宽的时间范围,这是由于波导的色散在单周期脉冲传播过程中使其在时间范围上展宽造成的。另一方面,在与太赫兹相位匹配的整个范围内都观测到了加速电子,这是因为进入太赫兹波导的电子束的长度较长的缘故。

  3. (a)加速电子的能量增益作为太赫兹LINAC入射电子能量的函数(b) 加速电子的平均能量增益的时域谱

  总结本文工作,光生太赫兹脉冲被用于简单实用的太赫兹加速器中加速电子。并在3mm的相互作用长度上实现了7keV的能量增益以及好的模拟发射度。电子能量及梯度的增加将进一步提高此加速结构的表现,使其有利于进一步实现小型加速器的应用。随着激光泵浦能量的升级以及太赫兹源技术的进步,可能在太赫兹LINAC上实现GeV m-1的加速梯度。太赫兹直线加速器有望实现全光加速器并运用到小型实验室中,为超快电子衍射以及X射线产生提供新途径。

  摘译自:Terahertz-driven linear electron acceleration, Emilio A. et.al Nature communications, 6:8486 (2015)

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