SLAC利用太赫兹辐射增强粒子能量,使粒子加速器缩小10倍

粒子加速器可产生高能电子、质子和离子束,应用范围广泛,包括可揭示自然界亚原子成分的粒子对撞机、在化学反应中给原子和分子镀膜的X射线激光器以及治疗癌症的医疗设备。SLAC使用太赫兹辐射为微型铜加速器结构提供动力,可以使粒子加速器缩小10倍。

根据经验,加速器的时间越长,功率越大。现在,由能源部SLAC国家加速器实验室科学家领导的一个团队发明了一种新型加速器结构,在给定距离内提供的能量增益比传统的大10倍。这可以使用于给定应用的加速器缩短10倍。

最近在《应用物理学快报》上发表的一篇文章描述了这项技术背后的关键思想,即利用太赫兹辐射来增强粒子能量。

SLAC利用太赫兹辐射增强粒子能量,使粒子加速器缩小10倍

在当今的加速器中,粒子从射频(RF)场中汲取能量,将其馈入特定形状的加速器结构或空腔中。每个腔体只能在给定的距离内提供有限的能量提升,因此需要非常长的腔体串来产生高能束。

太赫兹波和无线电波都是电磁辐射,它们各自的波长不同。由于太赫兹波比无线电波短10倍,所以太赫兹加速器中的空腔也可以小很多。事实上,这项研究中发明的太赫兹加速器只有0.2英寸长。

建造这些微小空腔结构的一个主要挑战是非常精确地加工它们。在过去的几年里,SLAC团队开发了一种方法做到这一点。他们没有使用传统工艺将许多层铜叠加在一起,而是通过加工两半并将它们粘合在一起来构建这种微小结构。

与传统的铜结构相比,新结构还产生了比传统的铜结构短一千倍的粒子脉冲,该粒子脉冲可用于产生更高频率的光束,并在给定的时间内释放更多的能量。

下一步,研究人员计划将这项发明变成电子枪–这种设备可以产生令人难以置信的明亮电子束,用于发现科学,包括下一代X射线激光器和电子显微镜,使我们能够实时看到自然界在原子水平上的运作。这些电子束还可以用于治疗癌症。

要实现这一潜力,还需要进一步开发太赫兹辐射源,并将其与先进加速器整合,如本研究中所述。由于太赫兹辐射的波长短,其辐射源的开发尤其具有挑战性,而且目前可用的技术很少。SLAC的研究人员正在追求电子束和基于激光的太赫兹信号,以提供将加速器研究转化为未来实际应用所需的高峰值功率。

该项目由SLAC的Mohamed Othman和Emilio Nanni领导。该加速器结构是在SLAC设计和制造的,并使用了麻省理工学院的特殊太赫兹辐射源进行了测试。其他捐款来自意大利国家核物理研究所(INFN)。该项目由美国能源部科学办公室资助,包括美国能源部科学办公室早期职业研究计划奖和美国国家科学基金会。

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