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    【NEWS】用于電子束控制的“瑞士軍刀”

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    目前世界范圍內的傳統加速器不僅僅是科學研究的重要工具,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域的廣泛應用。此外,傳統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,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。

    近年來隨著THz技術的不斷發展,科學家們發現通過對THz的電場或者磁場的精確控制同樣可以達到對電子束的控制。

    STEAM”是世界上第一臺基于強場THz的超快電子微型控制設備,其核心特點之一是實現了光與電子的完美同步。本文將對“STEAM”的工作原理進行簡單介紹。相關工作以封面形式發表在了六月份自然光子學期刊上(如圖1)。


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    圖1. “STEAM”相關工作發表


    科學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,來產生電子束并驅動THz電子加速器和控制器(“STEAM”),這種方法能夠達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整流和差頻產生THz,橫向入射到“STEAM”內與電子相互作用。THz的電場與電子傳播方向平行,磁場垂直于電子傳播方向。

    通過調節兩束相向傳播THz的到達時間和相對相位,可以精確控制電子束進入設備后與THz相互作用的過程。同時可以根據需要消除電場、磁場分量的影響實現STEAM的功能轉換。

    具體來說,調節THz的電場可以對電子進行加速和壓縮;利用磁場可以對電子束進行偏轉,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到了世界領先水平。

    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下的穩定性。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,并用這臺激光器產生了2×30 μJ 近單周期的THz,中心頻率在0.3 THz??茖W家們成功的使2×6 μJ THz耦合進入STEAM設備,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)。

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    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今射頻加速器中使用的輻射波長短百倍,器件中的所有結構都可以相應縮??;另一方面,此項研究在同一設備單元中整合多種功能應用,使得緊湊型設計成為可能。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的微型器件(如圖3)。 雖然該技術仍處于實驗階段,但其部分功能已經可以應用到加速器和超快電子顯微鏡上,為超快物理,化學,生物等基礎研究打開新的大門。CFEL物理學家們相信,STEAM將成為下一代太赫茲驅動粒子加速器的先鋒。

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    圖3. 硬幣大小的“STEAM”


    原始文獻:

    [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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