微型双加速器实现能量回收

时间:2020-04-04 17:31 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

微型双加速器实现能量回收

DESY的一组科学家已经建造了一个小型的双粒子加速器,它可以回收部分注入系统的激光能量,以再次提高加速电子的能量。该设备使用的是窄带太赫兹辐射,介于红外和无线电频率之间,一个加速管只有1.5厘米长,直径只有0.79毫米。来自DESY自由电子激光科学中心(CFEL)的张东方和他的同事们在《物理评论X》杂志上展示了他们的实验加速器。

由于太赫兹辐射的短波长,该装置的微型尺寸是可能的。“基于terahertz的加速器已经成为下一代紧凑型电子源的有希望的候选者,”DESY的首席科学家、制造该装置的CFEL小组的负责人Franz Kartner解释道。科学家们之前已经成功地用太赫兹加速器做过实验,这可能会使大型粒子加速器不可行或没有必要的应用成为可能。“然而,这项技术仍处于早期阶段,实验中的太赫兹加速器的性能受到太赫兹脉冲与电子之间相互作用的相对短段的限制,”Kartner说。

对于这个新装置,研究小组使用了一个包含许多太赫兹波周期的更长的脉冲。这种多循环脉冲显著地扩展了与粒子的相互作用部分。张说:“我们将多周期太赫兹脉冲输入到内衬介电材料的波导中。”在波导中,脉冲的速度降低了。一束电子被射入波导的中心部分,刚好及时地与脉冲一起移动。“这个方案将太赫兹脉冲和电子束之间的相互作用区域扩大到厘米范围——而在早期的实验中只有几毫米,”张报告说。

该装置在实验室中并没有产生大的加速度。然而,研究小组可以通过展示电子在波导中获得能量来证明这一概念。“这是一个概念的证明。电子的能量从55千伏增加到56.5千伏,”张说。“更强的加速可以通过使用更强的激光来产生太赫兹脉冲来实现。”

这种装置主要是为非相对论体系设计的,这意味着电子的速度并不接近光速。有趣的是,这种机制使太赫兹脉冲的循环可以达到第二阶段的加速。“太赫兹脉冲一旦离开波导进入真空,其速度就会被重置为光速,”张解释道。这意味着,脉冲会在几厘米内超越慢电子束。我们在电子与太赫兹脉冲一起进入的正确距离放置了第二个波导,太赫兹脉冲再次被波导减慢。通过这种方式,我们产生了第二个相互作用部分,进一步提高了电子的能量。”

在实验室实验中,只有一小部分太赫兹脉冲可以通过这种方式循环利用。但实验表明,回收在原则上是可行的,张相信回收的比例可以大幅度提高。CFEL小组的高级科学家和项目组长Nicholas Mattlis强调:“我们的级联方案将大大降低非相对论体制下电子加速所需的激光系统的需求,为基于特拉赫兹的加速器的设计开辟了新的可能性。”

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