科學(xué)家為電子束創(chuàng)造了瑞士軍刀

科學(xué)家已經(jīng)為電子創(chuàng)造了一個(gè)微型粒子加速器，只需按一下按鈕就可以執(zhí)行四種不同的功能。該實(shí)驗(yàn)裝置由太赫茲輻射源驅(qū)動(dòng)，可以加速，壓縮，聚焦和分析光束中的電子束。它的主動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸僅為幾毫米。DESY科學(xué)家為電子創(chuàng)造了一種微型粒子加速器，只需按一下按鈕即可執(zhí)行四種不同的功能。該實(shí)驗(yàn)裝置由太赫茲輻射源驅(qū)動(dòng)，可以加速，壓縮，聚焦和分析光束中的電子束。它的主動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸僅為幾毫米。自由電子激光科學(xué)中心(CFEL)的開發(fā)人員在Nature Photonics期刊上發(fā)表了他們的“分段太赫茲電子加速器和操縱器”(STEAM)。太赫茲輻射位于微波和電磁波譜中的紅外線之間。

該裝置的核心特征之一是其與電子束的完美定時(shí)。科學(xué)家通過使用相同的激光脈沖產(chǎn)生電子束并驅(qū)動(dòng)器件來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。“要做到這一點(diǎn)，我們會(huì)采用紅外激光脈沖將其分開，”CFEL的FranzKärtner小組的第一作者Dongfang Zhang解釋道。“兩個(gè)部分都被送入改變激光波長(zhǎng)的非線性晶體中：為了產(chǎn)生電子束，波長(zhǎng)被轉(zhuǎn)移到紫外線并被引導(dǎo)到光電陰極上，在那里它釋放出一束電子。對(duì)于STEAM，波長(zhǎng)被轉(zhuǎn)移到太赫茲原始激光脈沖的兩個(gè)部分的相對(duì)時(shí)間僅取決于它們所采用的路徑的長(zhǎng)度，并且可以非常精確地控制。

通過這種方式，科學(xué)家們可以超高精度地控制太赫茲波的哪一部分在電子束進(jìn)入器件時(shí)會(huì)發(fā)出電子束。根據(jù)電子束的到達(dá)時(shí)間，STEAM執(zhí)行其不同的功能。“例如，一群擊中太赫茲電場(chǎng)負(fù)面部分的電流加速了，”張解釋道。“波浪的其他部分導(dǎo)致束的聚焦或散焦或壓縮約十倍左右。”壓縮意味著電子束在飛行方向上變短，聚焦意味著它垂直于飛行方向收縮。

此外，STEAM允許對(duì)沿其飛行路徑的電子束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。對(duì)于這種稱為條紋的技術(shù)，進(jìn)入的電子束以一種垂直于飛行方向被涂抹的方式向側(cè)面偏轉(zhuǎn)。當(dāng)這個(gè)被涂抹的束撞擊探測(cè)器時(shí)，它會(huì)沿著它的飛行路徑產(chǎn)生束的輪廓。通常使用條紋來分析粒子加速器中的束結(jié)構(gòu)。“STEAM是一種用于電子束的瑞士軍刀，”張說。為了執(zhí)行多種功能，例如壓縮和聚焦，可以組合設(shè)備的幾個(gè)單元。

使用太赫茲輻射還允許STEAM裝置的緊湊尺寸。“太赫茲輻射的波長(zhǎng)通常比當(dāng)今大顆粒加速器中使用的射頻輻射短一百倍。因此，設(shè)備中的所有結(jié)構(gòu)都可以相應(yīng)縮小，”德國(guó)大學(xué)的首席科學(xué)家兼漢堡大學(xué)教授凱特納解釋道。STEAM的最大尺寸僅約2厘米，可輕松放入火柴盒中。“這只是房屋的大小?；顒?dòng)結(jié)構(gòu)的規(guī)模是毫米級(jí)的，”張補(bǔ)充說。

該技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段。開發(fā)人員將STEAM視為邁向未來一代緊湊型太赫茲驅(qū)動(dòng)粒子加速器的第一步。這些可以啟用新的應(yīng)用程序，并補(bǔ)充當(dāng)今的加速器。此外，口袋機(jī)械手今天已經(jīng)可以使用：世界各地的加速器組已經(jīng)在考慮進(jìn)行束特性鑒定，正如Kärtner所指出的那樣：“STEAM可以用于未來的桌面加速器，但它的各種功能對(duì)于現(xiàn)有的也很有用機(jī)器“。