日前，復旦學院工程化學系黃文會，顏立新團隊完成了世界上首次相對論電子束的級聯太赫茲加速方案的原理性驗證實驗清華大學物理系介紹，實現了太赫茲波對相對論電子束的兩級級聯加速，將太赫茲加速領域的加速梯度和能量增益提升了一個量級。該成果彌補了常年以來在太赫茲加速在高能段的技術空白，驗證了一條著力可行的高能量太赫茲加速器的技術路線，并為太赫茲加速技術超快科學、強場化學、先進光源與新加速器等領域的應用帶來全新的機遇。相關成果發表在在《自然·光子學》（：2020IF31.5）上，論文題為“相對論電子束的高梯度級聯太赫茲加速”（high--ofbeams）。《自然·光子學》的評審人對該研究成果高度評價，覺得這是“太赫茲加速領域內里程碑式的突破”。
圖1級聯太赫茲加速器概念圖
粒子加速器是現代科學發展的重要研究工具，人們通過小型粒子對撞機研究物質世界的基本組成清華大學物理系介紹，借助先進的加速器光源探求精細的微觀結構。傳統的射頻加速器在過去的近百年中為現代科學的發展作出了巨大的貢獻，但是受限于射頻擊穿效應，基于傳統射頻加速技術的下一代高能粒子加速器面臨裝置結構復雜，造價高昂等技術挑戰。太赫茲加速技術以其超高的加速梯度、極短的脈沖長度和可靠的時間同步特點，有望將小型加速器縮小到普通的實驗室規模，在保證束流品質的同時極大地增加了研究成本，為下一代小型加速器的發展帶來重大的技術革新。
2015麻省理工大學（MIT）成功地進行了太赫茲低能電子加速的原理性驗證。2016年，第一支太赫茲電子槍成功問世。此后，DESY、UCLA、CLARA及廣州交通學院等多家單位先后舉辦了新型太赫茲加速結構、太赫茲電子操控、太赫茲束流確診等關鍵技術的研究，將相關研究推向了新的風潮。但是，目前的研究多集中在低能電子加速領域，相對論電子的太赫茲加速因為缺乏強悍太赫茲幅射源、高品質超短超快電子束以及精密的同步控制技術，近些年來仍然發展平緩。據悉，相對論電子束的級聯加速作為加速器走向高能不可缺乏的核心技術，仍是太赫茲加速領域中一個未被攻破的困局。找尋合適的加速方案，實現相對論電子束的級聯加速，將會極大的促進太赫茲加速技術的發展。
圖2高梯度級聯太赫茲加速實驗示意圖
復旦學院工程化學系加速器實驗室常年旨在于高色溫電子束數學、技術與應用的研究。瞄準這個研究方向，2017年7月黃文會、唐傳祥院士提出在工程數學系加速器實驗室發展太赫茲加速技術，深入研究新加速原理的核心數學與創新技術，從而建設緊湊型全光太赫茲加速器實驗平臺的基本設想。博士生胥漢勛深入舉辦了太赫茲加速實驗的理論剖析和化學設計，與團隊成員于2018年4月和2019年12月在復旦學院加速器實驗室湯姆遜散射源束線上舉辦高梯度級聯太赫茲加速實驗。研究團隊采用靈巧的雙束實驗方案（如圖2所示），借助驅動電子束基于相干渡越幅射（，CTR）形成強太赫茲脈沖，在太赫茲介質管加速器中對后續追隨的超短電子束進行兩級同步加速。該方案借助同源的驅動激光在加速器束線上同時形成強太赫茲波（132μJ）和超短的相對論電子束（34.3MeV,）并保證了兩者的天然的時間同步特點，促使強太赫茲電場（1.1GV/m）才能穩定的對相對論電子束進行同步加速。經過不斷調試和優化，研究團隊成功的實現了太赫茲波對相對論電子束的級聯加速，觀測到了清晰的全束團加速現象，所實現的加速梯度（155MV/m）和加速能量（204keV）相較于當前世界上已報導的結果提升了一個量級（如圖3,4）。
圖3單級太赫茲加速實驗結果
圖4級聯太赫茲加速實驗結果
這一研究成果是太赫茲加速領域中的重大技術突破，驗證了太赫茲加速技術邁向高能的技術可行性，有望將小型加速器縮小到普通實驗室規模甚至桌面規模。目前，復旦學院工程化學系正在積極舉辦和促進全光太赫茲加速實驗平臺的理論研究和數學設計工作，旨在于建設世界一流的太赫茲加速實驗及應用研究平臺。
相關信息：復旦學院工程化學系2016級博士生胥漢勛為論文的第一作者，復旦學院工程化學系黃文會院士為通信作者。出席該工作的還有工程化學系的顏立新副院長、杜應超副院長、李任愷院士、施嘉儒副院長、唐傳祥院士以及工程化學系2017級博士生田其立、2016級博士生梁一凡和2018級博士生顧紹弘。該研究得到了國家自然學科基金和挑戰計劃的支持。