連光都能回收了！用過一次的光，回收了還可以再用一次科學頭條網

2020-03-23 18:00:58 博科園

德國國家研究中心電子同步加速器（DESY）的一組科學家建造出一個微型雙粒子加速器，可以回收輸入系統的部分激光能量，以第二次增加加速電子的能量。該裝置使用位於電磁頻譜中紅外和無線電頻率之間的窄帶太赫茲輻射，單個加速管只有1.5釐米長，直徑只有0.79毫米，其研究成果發表在《物理評論X》期刊上。

國家電子同步加速器首席科學家、製造該設備的CFEL小組負責人Franz Kärtner說：由於太赫茲輻射的短波長，實現微型尺寸是可能的，基於太赫茲的加速器已經成為下一代小型型電子源的高潛力候選者。科學家們以前已經成功地用太赫茲加速器進行了實驗，這可以使大粒子加速器不可行或不必要的應用成為可能，然而，這項技術仍處於早期階段。

（上圖所示）級聯太赫茲加速器使用長脈衝的概念證明，微型加速器使用太赫茲輻射，可以將系統激光能量回收用於第二階段的加速。圖片：DESY, Science Communication Lab

實驗太赫茲加速器的性能一直受到太赫茲脈衝與電子之間相對較短的相互作用部分限制。然而，這項技術仍處於早期階段，實驗太赫茲加速器的性能，受到了太赫茲脈衝與電子之間相對較短的相互作用部分限制。對於新設備，研究小組使用了更長的脈衝，包括許多週期的太赫茲波。該多週期脈衝顯著延長了與粒子的相互作用部分。把多週期太赫茲脈衝送入排列著介質材料的波導中。

在波導內，脈衝的速度會降低，一束電子被及時射入波導的中心部分，以便與脈衝一起傳播。這個方案將太赫茲脈衝和電子束之間的相互作用區域增加到釐米範圍，而在早期的實驗中只有幾毫米。該裝置在實驗室中沒有產生很大的加速度，然而研究小組可以通過證明電子在波導中獲得能量來證明這一概念，這是一個概念的證明，電子的能量從55千伏增加到大約56.5千伏。

使用更強的激光產生太赫茲脈衝可以獲得更強的加速度這個裝置主要是為非相對論區域設計的，這意味著電子的速度不是那麼接近光速。有趣的是，這一機制使得太赫茲脈衝能夠循環用於第二階段的加速。一旦太赫茲脈衝離開波導進入真空，它的速度就會被重置為光速。這意味著，脈衝在幾釐米的跨度時間內超過了速度較慢的電子束。將第二個波導放置在電子進入它的正確距離，以及被波導再次減慢的太赫茲脈衝。

這樣，就產生了第二個相互作用部分，進一步增強了電子的能量。在實驗室實驗中，只有一小部分太赫茲脈衝可以通過這種方式進行回收。但實驗表明，回收理論上是可能的，研究人員相信回收的比例可以大幅增加。資深科學家尼古拉斯·馬特利斯是CFEL小組該項目的組長，他強調：我們的級聯方案將大大降低在非相對論區域對電子加速所需的激光系統需求，為基於太赫茲的加速器設計打開新的可能性。