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近日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院張杰院士、向?qū)Ы淌陬I(lǐng)銜的課題組，利用飛秒激光在周期極化鈮酸鋰晶體中產(chǎn)生的多周期窄帶太赫茲源，結(jié)合兆伏特超快電子衍射裝置提供的超短電子束，證明了相對論電子在厘米長度距離的尺度上實現(xiàn)太赫茲驅(qū)動高品質(zhì)級聯(lián)加速的可行性；實驗中保持了電子束的能散和能量穩(wěn)定性，獲得接近100%的級聯(lián)耦合效率，實現(xiàn)了從“太赫茲加速”邁向“太赫茲加速器”的突破。該研究成果已發(fā)表于《物理評論快報》。

粒子加速器在科研、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)射頻加速器的規(guī)模與造價成為進(jìn)一步提高加速能量的瓶頸。為降低規(guī)模和造價，加速器領(lǐng)域一些重要研究方向有待突破。

張杰與向?qū)дn題組近年來突破了太赫茲源、太赫茲結(jié)構(gòu)精密制備、太赫茲場與電子束精密同步匹配等多項技術(shù)挑戰(zhàn)，取得了利用太赫茲波長作為基準(zhǔn)精確測量電子束時間信息、太赫茲示波器、太赫茲驅(qū)動電子束脈寬壓縮等系列成果。

這項研究中，研究人員利用尺寸為傳統(tǒng)射頻加速結(jié)構(gòu)1/100、直徑僅0.86毫米的介質(zhì)波導(dǎo)，結(jié)合窄帶寬太赫茲源，實現(xiàn)了相對論電子束在介質(zhì)波導(dǎo)中持續(xù)3厘米的穩(wěn)定加速。通過改變電子束與太赫茲脈沖的延時，他們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，實驗結(jié)果與理論模擬具有很高的符合度。

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，實驗中僅用100納焦的太赫茲能量便實現(xiàn)了15千伏的凈能量增益，太赫茲能量轉(zhuǎn)化為電子束能量增益的效率達(dá)到1.5千伏每納焦，是目前實驗報道的最高效率，預(yù)示著利用毫焦級別的太赫茲脈沖可實現(xiàn)兆伏的能量增益。同時，超快電子衍射裝置提供的超短電子束，也為驗證太赫茲加速器的穩(wěn)定級聯(lián)加速提供了可能。實驗中進(jìn)一步利用兩個獨立的太赫茲源分別驅(qū)動電子束在兩段長度為3厘米的介質(zhì)波導(dǎo)中實現(xiàn)了電子束的穩(wěn)定級聯(lián)加速。

張杰表示，這項研究成果為將來更多級的級聯(lián)提供了實驗依據(jù)，是邁向基于先進(jìn)加速機(jī)制高能加速器的關(guān)鍵一步。（黃辛）