粒子加速器在科研、國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用;以科研為例，1939年以后的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1/3與加速器相關(guān)。然而，傳統(tǒng)射頻加速器的規(guī)模與造價(jià)成為進(jìn)一步提高加速能量的瓶頸障礙，也限制了加速器的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。為降低加速器的規(guī)模和造價(jià)，過去幾十年里，等離子體加速、激光介質(zhì)加速、太赫茲加速等先進(jìn)加速概念與技術(shù)成為了加速器領(lǐng)域的重要研究方向。
張杰院士與向?qū)Ы淌谡n題組近年對(duì)強(qiáng)場(chǎng)太赫茲脈沖與相對(duì)論電子束的相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，突破了太赫茲源、太赫茲結(jié)構(gòu)精密制備(圖1)、太赫茲場(chǎng)與電子束精密同步匹配等多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，取得了利用太赫茲波長(zhǎng)作為基準(zhǔn)精確測(cè)量電子束時(shí)間信息【Phys. Rev. X 8, 021061 (2018)】，太赫茲示波器【Phys. Rev. Lett. 122, 144801 (2019)】，太赫茲驅(qū)動(dòng)電子束脈寬壓縮【Phys. Rev. Lett. 124, 054802 (2020)】等系列成果。近期，課題組利用尺寸比傳統(tǒng)射頻加速結(jié)構(gòu)小100倍的直徑僅0.86 mm的介質(zhì)波導(dǎo)，結(jié)合窄帶寬太赫茲源，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)論電子束在介質(zhì)波導(dǎo)中持續(xù)3 cm的穩(wěn)定加速。通過改變電子束與太赫茲脈沖的延時(shí)，可精確觀察到作用距離和作用相位的改變所引起的電子束能量增益的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬具有很高的符合度(圖2)。
在通過精確控制太赫茲的頻率分布以增加有效作用距離方面，實(shí)驗(yàn)中僅用100 nJ的太赫茲能量便實(shí)現(xiàn)了15 keV的凈能量增益，太赫茲能量轉(zhuǎn)化為電子束能量增益的效率達(dá)到了1.5 keV/nJ1/2，是目前實(shí)驗(yàn)報(bào)道的最高效率，預(yù)示著利用mJ級(jí)別的太赫茲脈沖可實(shí)現(xiàn)MeV的能量增益。此外，超快電子衍射裝置提供的超短電子束，也為驗(yàn)證太赫茲加速器的穩(wěn)定級(jí)聯(lián)加速提供了可能。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步利用兩個(gè)獨(dú)立的太赫茲源分別驅(qū)動(dòng)電子束在兩段長(zhǎng)度為3 cm的介質(zhì)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了電子束的穩(wěn)定級(jí)聯(lián)加速。得益于電子束較短的脈寬和較小的時(shí)間抖動(dòng)，級(jí)聯(lián)加速實(shí)驗(yàn)中維持了電子束的能散和能量穩(wěn)定性(圖3)，獲得接近100%的級(jí)聯(lián)耦合效率，實(shí)現(xiàn)了從“太赫茲加速”向“太赫茲加速器”的飛躍，為將來更多級(jí)的級(jí)聯(lián)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
本工作主要由上海市科委重大項(xiàng)目(No. 18JC1410700)，基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目(No. 11721091)，基金委杰青項(xiàng)目(No. 11925505)資助，課題組博士生湯恒與博士后趙凌榮為文章共同第一作者。
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