【NEWS】用于電子束控制的“瑞士軍刀”
目前世界范圍內(nèi)的傳統(tǒng)加速器不僅僅是科學(xué)研究的重要工具，同時也是龐大的國家級工程項目，其耗費人力財力之大，大大限制了其在很多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的電子的加速和整形方式是通過射頻場和磁線圈等方法實現(xiàn)，受限于光與電子的同步（~100飛秒，1 飛秒=10-15秒）以及電場的損傷閾值（~100 MV/m），往更高的時間和空間尺度上的研究面臨著極大的挑戰(zhàn)。
近年來隨著THz技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)通過對THz的電場或者磁場的精確控制同樣可以達(dá)到對電子束的控制。
“STEAM”是世界上第一臺基于強場THz的超快電子微型控制設(shè)備，其核心特點之一是實現(xiàn)了光與電子的完美同步。本文將對“STEAM”的工作原理進(jìn)行簡單介紹。相關(guān)工作以封面形式發(fā)表在了六月份自然光子學(xué)期刊上（如圖1）。
圖1. “STEAM”相關(guān)工作發(fā)表
科學(xué)家們首先通過使用同一束中紅外激光脈沖所分成的多束光，來產(chǎn)生電子束并驅(qū)動THz電子加速器和控制器（“STEAM”），這種方法能夠達(dá)到光與電子的完美同步。
其中一束激光通過兩次二倍頻的方式產(chǎn)生紫外光，注入到光電陰極生成熱電子，再通過高壓直流電源加速到55 keV。另外兩束激光用于光學(xué)整流和差頻產(chǎn)生THz，橫向入射到“STEAM”內(nèi)與電子相互作用。THz的電場與電子傳播方向平行，磁場垂直于電子傳播方向。
通過調(diào)節(jié)兩束相向傳播THz的到達(dá)時間和相對相位，可以精確控制電子束進(jìn)入設(shè)備后與THz相互作用的過程。同時可以根據(jù)需要消除電場、磁場分量的影響實現(xiàn)STEAM的功能轉(zhuǎn)換。
具體來說，調(diào)節(jié)THz的電場可以對電子進(jìn)行加速和壓縮；利用磁場可以對電子束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，診斷和聚焦。得益于STEAM方式對THz場的精確控制，其加速和聚焦場梯度都達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。
這項工作實驗驗證過程中使用了兩臺激光器。一臺550 fs, 4 mJ,1 KHz, 1030 nm Yb:KYW激光器用于驗證其在高頻率工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。同時也使用了一臺1.1 ps, 40 mJ, 10 Hz, 1020 nm Yb:YLF激光器用于高能量下的驗證，并用這臺激光器產(chǎn)生了2×30 μJ 近單周期的THz，中心頻率在0.3 THz。科學(xué)家們成功的使2×6 μJ THz耦合進(jìn)入STEAM設(shè)備，并用其驗證了超強的加速場（70 MV/m），聚焦磁場（2 kT/m)，近十倍的電子脈沖長度壓縮，以及飛秒量級的超短脈沖時間診斷能力（如圖2）。
圖2. “STEAM”的原理圖
“STEAM”的最大特點在于其體積非常小巧，一方面是由于太赫茲輻射的波長比當(dāng)今射頻加速器中使用的輻射波長短百倍，器件中的所有結(jié)構(gòu)都可以相應(yīng)縮??；另一方面，此項研究在同一設(shè)備單元中整合多種功能應(yīng)用，使得緊湊型設(shè)計成為可能。STEAM器件的最大面積只有兩厘米，換句話說這是一個可裝入火柴盒內(nèi)的微型器件（如圖3）。 雖然該技術(shù)仍處于實驗階段，但其部分功能已經(jīng)可以應(yīng)用到加速器和超快電子顯微鏡上，為超快物理，化學(xué)，生物等基礎(chǔ)研究打開新的大門。CFEL物理學(xué)家們相信，STEAM將成為下一代太赫茲驅(qū)動粒子加速器的先鋒。
圖3. 硬幣大小的“STEAM”
原始文獻(xiàn)：
[1] Dongfang Zhang, Arya Fallahi, Michael Hemmer, Xiaojun Wu, Moein Fakhari, Yi Hua, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Luis E. Zapata, Nicholas H. Matlis, Franz X. K?rtner,Segmented terahertz electron accelerator and manipulator (STEAM).Nature Photonics 12, 336–342 (2018); doi:10.1038/s41566-018-0138-z
參考英文原文鏈接：
http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1371&two_columns=1
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