科學家為電子束創(chuàng)造了瑞士軍刀

科學家已經(jīng)為電子創(chuàng)造了一個微型粒子加速器，只需按一下按鈕就可以執(zhí)行四種不同的功能。該實驗裝置由太赫茲輻射源驅動，可以加速，壓縮，聚焦和分析光束中的電子束。它的主動結構尺寸僅為幾毫米。DESY科學家為電子創(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。該實驗裝置由太赫茲輻射源驅動，可以加速，壓縮，聚焦和分析光束中的電子束。它的主動結構尺寸僅為幾毫米。自由電子激光科學中心(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?？茖W家通過使用相同的激光脈沖產(chǎn)生電子束并驅動器件來實現(xiàn)這一目標。“要做到這一點，我們會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。“兩個部分都被送入改變激光波長的非線性晶體中：為了產(chǎn)生電子束，波長被轉移到紫外線并被引導到光電陰極上，在那里它釋放出一束電子。對于STEAM，波長被轉移到太赫茲原始激光脈沖的兩個部分的相對時間僅取決于它們所采用的路徑的長度，并且可以非常精確地控制。

通過這種方式，科學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入器件時會發(fā)出電子束。根據(jù)電子束的到達時間，STEAM執(zhí)行其不同的功能。“例如，一群擊中太赫茲電場負面部分的電流加速了，”張解釋道。“波浪的其他部分導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允許對沿其飛行路徑的電子束的結構進行分析。對于這種稱為條紋的技術，進入的電子束以一種垂直于飛行方向被涂抹的方式向側面偏轉。當這個被涂抹的束撞擊探測器時，它會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構。“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，可以組合設備的幾個單元。

使用太赫茲輻射還允許STEAM裝置的緊湊尺寸。“太赫茲輻射的波長通常比當今大顆粒加速器中使用的射頻輻射短一百倍。因此，設備中的所有結構都可以相應縮小，”德國大學的首席科學家兼漢堡大學教授凱特納解釋道。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。活動結構的規(guī)模是毫米級的，”張補充說。

該技術仍處于試驗階段。開發(fā)人員將STEAM視為邁向未來一代緊湊型太赫茲驅動粒子加速器的第一步。這些可以啟用新的應用程序，并補充當今的加速器。此外，口袋機械手今天已經(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，但它的各種功能對于現(xiàn)有的也很有用機器“。