长期以来，包括科学和技术在内的社会许多领域都建立了熟悉的“越强大越强大”的原则。 但是，在现代现实中，实际执行的俗语是“小而聪明”。 这既体现在以前占据整个房间，现在放在小孩手掌中的计算机中，也体现在带电粒子加速器中。 是的，是的，您还记得大型强子对撞机（LHC），其名称上确实标出了令人印象深刻的尺寸（长度为26,659 m）？ 因此，据开发了微型加速器版本的DESY科学家说，这已经过去了，就性能而言，它不比其全尺寸前代产品逊色。 而且，微型加速器甚至在太赫兹加速器中创造了新的世界纪录，使嵌入式电子的能量翻了一番。 微型加速器是如何开发的，其基本操作原理是什么，实际实验表明了什么？ 这将有助于我们了解研究小组的报告。 走吧
学习基础
据开发微型加速器的DESY（德国电子同步器）的Dongfang Zhang和他的同事们说，超快电子源在现代社会的生活中起着极其重要的作用。 它们中的许多表现在医学，电子学的发展和科学研究中。 当前使用射频发生器的线性加速器的最大问题是它们的高成本，基础设施复杂性以及对功耗的强烈需求。 并且这些缺点极大地限制了这种技术对于更广泛的用户的可用性。
这些明显的问题是开发尺寸不会引起恐怖的设备以及功耗程度的巨大动力。
在这个行业的相对创新中，我们可以区分具有许多“好东西”的太赫兹加速器：
- 预期太赫兹辐射的短波和短脉冲将显着增加由磁场引起的击穿阈值* ，这将增加加速度梯度；
电气击穿* -施加高于临界电压时电流急剧增加。
- 产生高场太赫兹辐射的有效方法的存在允许电子与激发场之间的内部同步；
- 可以使用经典方法来创建此类设备，但它们的成本，生产时间和尺寸将大大减少。
科学家认为，他们的毫米级太赫兹加速器是目前可用的常规加速器和正在开发的微型加速器之间的折衷，但由于其体积很小，因此存在许多缺点。
研究人员并不否认太赫兹加速技术已经开发了一段时间。 但是，他们认为，该领域中仍有许多方面尚未研究，验证或实施。
在我们今天正在考虑的工作中，科学家们演示了STEAM（
分段太赫兹电子加速器和操纵器 ）的功能-分段太赫兹电子加速器和操纵器。 STEAM将电子束长度减少到亚皮秒的持续时间，从而在加速阶段提供飞秒控制。
可以实现200 MV / m（MV-兆伏）的加速度场，这导致以55 keV的能量从引入的电子束中产生创纪录的太赫兹加速度，> 70 keV（千电子伏特）。 因此，获得了高达125keV的加速电子。
设备的结构及其实现
图片编号1：被调查设备的示意图。
图片1-2：a-已开发的5层分段结构示意图，b-计算出的加速度与电子传播方向之比。电子束（55 keV）从
电子枪*产生，并嵌入到太赫兹STEAM装订器（束压缩器）中，然后传输到STEAM直线加速器（
线性加速器* ）中。
电子枪* -用于产生具有必要配置和能量的电子束的设备。
线性促进剂* -带电粒子仅通过结构1次的促进剂，将线性促进剂与环状促进剂区分开（例如LHC）。
两种STEAM装置均从单个近红外（NIR）激光器接收太赫兹脉冲，后者还会触发电子枪的光电阴极，从而在电子与加速场之间产生内部同步。 通过近红外光主波长的
SHG *的两个连续阶段，在光电阴极上产生用于发射光的紫外线脉冲。 此过程将转换1010 nm波长的激光脉冲，首先转换为510 nm，然后转换为255 nm。
SHG * （二次光学谐波产生）是在与非线性材料相互作用期间将具有相同频率的光子组合在一起的过程，这导致形成能量和频率加倍且波长增加一半的新光子。
NIR激光束的其余部分分为4束，用于通过产生脉冲内频率差来产生四个单周期太赫兹脉冲。
然后，两个太赫兹脉冲通过对称的喇叭结构进入每个STEAM装置，该喇叭结构将太赫兹能量沿电子传播方向引导到相互作用区域中。
当电子进入每个STEAM设备时，它们会受到
洛伦兹力*的电和磁分量的
影响 。
洛伦兹力* -电磁场作用在带电粒子上的力。
在这种情况下，电场负责加速和减速，而磁场会引起横向偏差。
图片编号2正如我们在图
2a和
2b中看到的那样，在每个STEAM设备内部，太赫兹光束被分成多个薄金属板，跨过多个不同厚度的层，每个层都充当将总能量的一部分转移到相互作用区域的波导。 同样，介电板存在于每一层中，以使太赫兹波
前*的到达时间与电子前相匹配。
波前*是波到达的表面。
两个STEAM装置均以电模式运行，即以叠加电场并抑制相互作用区域中心的磁场的方式运行。
在第一装置中，电子被定时以通过太赫兹场
的零交叉* ，其中电场的时间梯度被最大化而平均场被最小化。
过零*是没有电压的点。
这种构造导致电子束尾部的加速和其头部的减速，这导致弹道纵向聚焦（
2a和
2c ）。
在第二装置中，设置电子和太赫兹辐射的同步，使得电子束仅经历太赫兹电场的负周期。 这种配置导致纯连续加速（
2b和
2d ）。
具有NIR辐射的激光器类似于低温冷却的Yb：YLF系统，该系统在1020 nm的波长和10 Hz的重复频率下发出1.2 ps的持续时间和50 mJ的能量的光脉冲。 脉冲的倾斜前沿会产生中心频率为0.29太赫兹（周期为3.44 ps）的太赫兹脉冲。
STEAM聚束器（射束压缩机）仅使用2 x 50 nJ太赫兹能量来供电，而STEAM-linac（线性加速器）则需要2 x 15 mJ。
两个STEAM设备的入口和出口直径均为120微米。
射束压缩器设计为三层相同高度（0.225毫米）的层，这些层装有0.42和0.84毫米长的熔融石英板（ϵ
r = 4.41）以控制时间同步。 压缩机层的高度相等反映了不发生加速度（
2s ）的事实。
但是在线性加速器中，高度已经不同-0.225、0.225和0.250 mm（+熔融石英板0.42和0.84 mm）。 层高度的增加解释了加速期间电子速度的增加。
科学家注意到，层的数量直接决定着两个设备的功能。 为了获得更高的加速度，例如，需要更多的层和不同的高度配置来优化交互。
实际实验结果
首先，研究人员回忆说，在传统的基于射频的加速器中，嵌入式电子束的时间范围对加速束性能的影响与在不同时间到达的束内各种电子相互作用时经历的电场变化有关。 因此，可以假设具有较大梯度的场和具有较长持续时间的光束将导致更大的能量散布。 引入的长时光束也可以导致更高的
发射率* 。
Emittans * -占据带电粒子加速束的相空间。
在太赫兹加速器的情况下，激发场的周期大约短200倍。 因此，支持字段的
强度*将提高10倍。
电场强度*是电场的指示器，等于施加在电场中给定点上的定点电荷所施加的力与该电荷的大小之比。
因此，在太赫兹加速器中，电子所经历的场梯度可能比常规装置中高几个数量级。 场弯曲明显的时间尺度将小得多。 由此可见，引入的电子束的持续时间将具有更明显的作用。
在实践中，科学家决定对这一理论进行检验。 为此，他们引入了不同持续时间的电子束，由于第一台STEAM装置（STEAM-buncher）受到压缩的控制。
图片编号3在压缩机未与电源连接的情况下，电荷约为1 fC（飞摩尔）的电子束（55 keV）从电子枪传递到线性加速器装置（STEAM-linac）约300毫米。 这些电子在空间电荷力的作用下可能会膨胀，持续时间超过1000 fs（飞秒）。
在这样的持续时间下，电子束以1.7 ps的频率占据了加速场半波的60％，这导致了加速后的能谱，峰值为115 keV，能量分布的半峰宽超过60 keV（
3a ）。
为了将这些结果与预期结果进行比较，当电子相对于最佳引入时间不同步时（即，与之不一致），模拟了通过线性加速器的电子传播情况。 这种情况的计算表明，电子能量的增加在很大程度上取决于直到亚皮秒时标（
3b ）的引入时刻。 也就是说，通过最佳调谐，电子将在每层（
3c ）中经历太赫兹辐射加速的整个半周期。
如果电子到达的时间不同，则它们在第一层的加速度会降低，这需要更多的时间才能通过。 然后，在随后的层中增强了不同步性，由此产生不希望的减速（
3d ）。
为了最小化电子束的时间长度的负面影响，第一STEAM设备以压缩模式工作。 通过调节提供给压缩机的太赫兹能量并将线性加速器切换到阴影线模式（
4b ），可以将线性加速器的电子束持续时间优化到最小〜350 fs（半宽）。
图片编号4最小光束持续时间是根据光电阴极的紫外线脉冲的持续时间设置的，其持续时间约为600 fs。 压缩机和带材之间的距离也起着重要作用，这限制了速度增厚的强度。 这些措施共同确保了加速阶段引入阶段的飞秒精度。
图
4a显示，在线性加速器中优化加速后，压缩电子束的能量散布与未压缩相比降低了约4倍。 与未压缩的光束相比，由于加速，压缩光束的能谱向更高的能量移动。 加速后的能谱峰值约为115 keV，高能尾部约为125 keV。
根据科学家的谦虚声明，这些指标是太赫兹范围内加速度的新记录（在加速度为70 keV之前）。
但是，为了减小能量散布（
4a ），需要获得更短的光束。
图片编号5在未压缩的引入光束的情况下，光束尺寸对电流的抛物线依赖性显示出水平和垂直方向的横向发射率：εx
，n = 1.703 mm * mrad和εy
，n = 1.491 mm * mrad（
5a ）。
压缩又将横向发射率提高了6倍至εx
，n = 0.285 mm * mrad（水平）和εy
，n = 0.246 mm * mrad（垂直）。
应当注意的是，当电子在加速过程中经历强的聚焦和散焦（
5b和
5c ）时，发射率的降低程度大约是电子束持续时间的降低程度的两倍，这是电子随时间变化的动力学非线性的度量。
在图
5b中可以看出，在最佳时间引入的电子经历了电场加速的整个半周期。 但是在最佳时间点之前或之后到达的电子的加速度较小，甚至部分减速。 概括地说，这样的电子因此接收的能量更少。
当暴露于磁场中时，会观察到类似情况。 在最佳时间引入的电子会经历对称数量的正负磁场。 如果电子的引入早于最佳时间，则存在更多的正电场，而更少的负电场。 在比最佳时间晚引入电子的情况下，正电子更少，而负电子更多（
5s ）。 并且这种偏离导致这样的事实，即电子可以根据相对于轴的位置向左，向右，向上或向下偏离，这导致与束的聚焦或散焦相对应的横向动量增加。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
总而言之，在电子束的持续时间减少的情况下，加速器性能将提高。 在这项工作中，可达到的光束持续时间受到安装几何形状的限制。 但是，从理论上讲，光束持续时间可以小于100 fs。
科学家们还指出，通过降低层的高度并增加层数，可以进一步提高光束的质量。 然而，该方法并非没有问题，特别是增加了设备生产的复杂性。
这项工作是对线性加速器微型版本进行更广泛和详细研究的初始阶段。 尽管经过测试的版本已经显示出出色的结果（可以正确地称为记录），但仍有很多工作要做。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)
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