Postęp w badaniach nad przyspieszaniem elektronów w falach terahercowych

Niedawno zespół Li Ruxina, Tian Ye i Song Liwei z Szanghajskiego Instytutu Optyki i Maszyn Precyzyjnych (SIPM) Chińskiej Akademii Nauk (CAS) poczynił istotne postępy w dziedzinie przyspieszania elektronów na falach terahercowych. Opierając się na nowej generacji zintegrowanego eksperymentalnego urządzenia SIPM z ultraintensywnym ultrakrótkim laserem o ultrakrótkich impulsach, zespół wykorzystał ultraintensywny ultrakrótki laser do napędzania falowodu jedwabnego w celu wygenerowania terahercowych fal powierzchniowych na poziomie milidżul, a następnie wykorzystał te fale powierzchniowe do przyspieszenie elektronów, co rozwiązało problemy generowania wysokoenergetycznych fal terahercowych, a także niską sprawność sprzężenia energii fali terahercowej w wolnej przestrzeni z falowodem. Badanie integruje generowanie, transmisję i sprzęganie fali terahercowej z falowodem i pozwala uzyskać najwyższy przyrost energii elektronów wynoszący 1,1 MeV i średni gradient przyspieszenia wynoszący 210 MV/m w odległości 5 mm w falowodzie, czyli prawie o rząd wielkości więcej. niż aktualny rekord świata w zakresie przyrostu energii elektronów dla przyspieszenia fali terahercowej i otwiera zupełnie nową ścieżkę badań nad całkowicie optycznym zintegrowanym pedałem gazu elektronowego.
Zminiaturyzowany i zintegrowany elektronowy pedał gazu będzie promował jego zastosowanie w pionierskiej nauce i technologii. Zastosowanie przyspieszania elektronów napędzanego falą terahercową, jako nowej technologii akceleracji opracowanej w ostatniej dekadzie, może zapewnić wyższe gradienty przyspieszenia niż tradycyjne przyspieszanie RF i jest jednym z niezawodnych sposobów realizacji zminiaturyzowanych, tanich urządzeń akceleracyjnych, które są oczekuje się rozszerzenia użycia pedałów gazu na większą liczbę zastosowań, w tym na małą skalę w laboratoriach, szpitalach itp.
Obecny rozwój przyspieszania elektronów terahercowych opiera się na technologii źródeł terahercowych w wolnej przestrzeni. Fale terahercowe są generowane, gromadzone, przesyłane, przekształcane w polaryzację, a następnie skupiane na strukturze falowodu wykorzystywanej do przyspieszania elektronów. Eksperymentalnie, aby zmaksymalizować gradient przyspieszenia terahercowego wewnątrz falowodu, wymagane jest źródło terahercowe, aby zapewnić wystarczającą ilość energii, aby zrekompensować straty energii wynikające z rozpraszania, odbicia i konwersji trybu w ścieżce optycznej. Typowe źródła terahercowe, takie jak te oparte na kryształach optycznych, zwykle wymagają gromadzenia i prowadzenia promieniowania terahercowego przez elementy optyczne i konwersji modów za pomocą segmentowych płytek falowych lub płytek z przesunięciem fazowym, co nieuchronnie skutkuje stratą energii. W porównaniu z promieniowaniem terahercowym w wolnej przestrzeni, optyczne fale powierzchniowe związane z powierzchnią ośrodka, takie jak powierzchniowe polarytony plazmonowe (SPP), zapewniają zupełnie nowy sposób myślenia o przewodnictwie terahercowym i konwersji modów.
Długoterminowe badania zespołu w dziedzinie zminiaturyzowanych źródeł elektronów przyspieszanych laserowo i źródeł światła radiacyjnego doprowadziły do ​​odkrycia spójnego mechanizmu wzmacniania terahercowych polarytonów powierzchniowych plazmonów, który umożliwia realizację źródeł promieniowania spójnego polarytonów plazmonów powierzchniowych o dużej mocy. Opierając się na właściwości fali Sommerfelda wzbudzeń izopolaryzowanych powierzchni terahercowej na osiowo-symetrycznym metalowym, cylindrycznym falowodzie oraz na podstawowych modach poprzecznych magnetycznych (TM) o niskiej dyspersji, zespół następnie połączył te wzbudzenia izospolaryzowane powierzchniowo terahercowe o dużej mocy bezpośrednio z przyspieszający falowód i osiągnął 85-procentową skuteczność sprzęgania, która może skutecznie sprzęgać energię terahercową na poziomie milidżula generowaną przez laser femtosekundowy pompujący metaliczny cylindryczny falowód wiązką elektronów i ostatecznie na długości elektronu 5 mm, aby uzyskać najwyższą energię 1,1 MeV zysk i 210 MV/m średniego gradientu przyspieszenia, będzie bieżącym międzynarodowym zyskiem energii elektronów napędzanym falą terahercową z najlepszymi wynikami, aby zwiększyć prawie o rząd wielkości.
W przyszłości zespół będzie dalej rozwijał zintegrowaną, całkowicie optyczną technologię przyspieszania elektronów w oparciu o nowy schemat przyspieszania elektronów sterowany trybem fali powierzchniowej terahercowej fali elektronowej i rozszerzał jej wszechstronne zastosowania w dziedzinie źródeł promieniowania na małą skalę i wykrywania materiałów .
Odpowiednie wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Photonics pod tytułem Megaelektronowoltowe przyspieszenie elektronów napędzane terahercowymi falami powierzchniowymi. Badania przeprowadzono we współpracy z Szanghajskim Instytutem Maszyn Optycznych, Pekińskim Uniwersytetem Aeronautyki i Astronautyki oraz Laboratorium Zhangjiang. Badania były wspierane przez Chiński Narodowy Program Badań i Rozwoju, Strategiczny Projekt Pilotażowy Chińskiej Akademii Nauk (klasa B), Szanghajski Program Specjalnej Strefy Badań Podstawowych, Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych, Stowarzyszenie Młodych Innowatorów Chińskiej Akademii Nauk oraz Szanghajski program Inspiracji Naukowo-Technologicznych Star Sail.

Rysunek 1. Schematyczny diagram eksperymentu przyspieszania elektronów napędzanego falą powierzchniową terahercową.

Rysunek 2: Zmierzone eksperymentalnie wyniki maksymalnego wzmocnienia energii elektronów

Rysunek 3. Porównanie natężenia pola elektrycznego wewnątrz falowodu przyspieszającego (c) w stanie wolnej przestrzeni sprzężonym terahercowo (a) i metalowego falowodu cylindrycznego (b)