日前，復(fù)旦學(xué)院工程化學(xué)系黃文會(huì)，顏立新團(tuán)隊(duì)完成了世界上首次相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)太赫茲加速方案的原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)清華大學(xué)物理系介紹，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波對(duì)相對(duì)論電子束的兩級(jí)級(jí)聯(lián)加速，將太赫茲加速領(lǐng)域的加速梯度和能量增益提升了一個(gè)量級(jí)。該成果彌補(bǔ)了常年以來在太赫茲加速在高能段的技術(shù)空白，驗(yàn)證了一條著力可行的高能量太赫茲加速器的技術(shù)路線，并為太赫茲加速技術(shù)超快科學(xué)、強(qiáng)場化學(xué)、先進(jìn)光源與新加速器等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來全新的機(jī)遇。相關(guān)成果發(fā)表在在《自然·光子學(xué)》（：2020IF31.5）上，論文題為“相對(duì)論電子束的高梯度級(jí)聯(lián)太赫茲加速”（high--ofbeams）?！蹲匀弧す庾訉W(xué)》的評(píng)審人對(duì)該研究成果高度評(píng)價(jià)，覺得這是“太赫茲加速領(lǐng)域內(nèi)里程碑式的突破”。
圖1級(jí)聯(lián)太赫茲加速器概念圖
粒子加速器是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的重要研究工具，人們通過小型粒子對(duì)撞機(jī)研究物質(zhì)世界的基本組成清華大學(xué)物理系介紹，借助先進(jìn)的加速器光源探求精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的射頻加速器在過去的近百年中為現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)，但是受限于射頻擊穿效應(yīng)，基于傳統(tǒng)射頻加速技術(shù)的下一代高能粒子加速器面臨裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂等技術(shù)挑戰(zhàn)。太赫茲加速技術(shù)以其超高的加速梯度、極短的脈沖長度和可靠的時(shí)間同步特點(diǎn)，有望將小型加速器縮小到普通的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，在保證束流品質(zhì)的同時(shí)極大地增加了研究成本，為下一代小型加速器的發(fā)展帶來重大的技術(shù)革新。
2015麻省理工大學(xué)（MIT）成功地進(jìn)行了太赫茲低能電子加速的原理性驗(yàn)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(xué)院等多家單位先后舉辦了新型太赫茲加速結(jié)構(gòu)、太赫茲電子操控、太赫茲束流確診等關(guān)鍵技術(shù)的研究，將相關(guān)研究推向了新的風(fēng)潮。但是，目前的研究多集中在低能電子加速領(lǐng)域，相對(duì)論電子的太赫茲加速因?yàn)槿狈?qiáng)悍太赫茲幅射源、高品質(zhì)超短超快電子束以及精密的同步控制技術(shù)，近些年來仍然發(fā)展平緩。據(jù)悉，相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)加速作為加速器走向高能不可缺乏的核心技術(shù)，仍是太赫茲加速領(lǐng)域中一個(gè)未被攻破的困局。找尋合適的加速方案，實(shí)現(xiàn)相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)加速，將會(huì)極大的促進(jìn)太赫茲加速技術(shù)的發(fā)展。
圖2高梯度級(jí)聯(lián)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)示意圖
復(fù)旦學(xué)院工程化學(xué)系加速器實(shí)驗(yàn)室常年旨在于高色溫電子束數(shù)學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用的研究。瞄準(zhǔn)這個(gè)研究方向，2017年7月黃文會(huì)、唐傳祥院士提出在工程數(shù)學(xué)系加速器實(shí)驗(yàn)室發(fā)展太赫茲加速技術(shù)，深入研究新加速原理的核心數(shù)學(xué)與創(chuàng)新技術(shù)，從而建設(shè)緊湊型全光太赫茲加速器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本設(shè)想。博士生胥漢勛深入舉辦了太赫茲加速實(shí)驗(yàn)的理論剖析和化學(xué)設(shè)計(jì)，與團(tuán)隊(duì)成員于2018年4月和2019年12月在復(fù)旦學(xué)院加速器實(shí)驗(yàn)室湯姆遜散射源束線上舉辦高梯度級(jí)聯(lián)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)采用靈巧的雙束實(shí)驗(yàn)方案（如圖2所示），借助驅(qū)動(dòng)電子束基于相干渡越幅射（，CTR）形成強(qiáng)太赫茲脈沖，在太赫茲介質(zhì)管加速器中對(duì)后續(xù)追隨的超短電子束進(jìn)行兩級(jí)同步加速。該方案借助同源的驅(qū)動(dòng)激光在加速器束線上同時(shí)形成強(qiáng)太赫茲波（132μJ）和超短的相對(duì)論電子束（34.3MeV,）并保證了兩者的天然的時(shí)間同步特點(diǎn)，促使強(qiáng)太赫茲電場（1.1GV/m）才能穩(wěn)定的對(duì)相對(duì)論電子束進(jìn)行同步加速。經(jīng)過不斷調(diào)試和優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)成功的實(shí)現(xiàn)了太赫茲波對(duì)相對(duì)論電子束的級(jí)聯(lián)加速，觀測到了清晰的全束團(tuán)加速現(xiàn)象，所實(shí)現(xiàn)的加速梯度（155MV/m）和加速能量（204keV）相較于當(dāng)前世界上已報(bào)導(dǎo)的結(jié)果提升了一個(gè)量級(jí)（如圖3,4）。
圖3單級(jí)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4級(jí)聯(lián)太赫茲加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果
這一研究成果是太赫茲加速領(lǐng)域中的重大技術(shù)突破，驗(yàn)證了太赫茲加速技術(shù)邁向高能的技術(shù)可行性，有望將小型加速器縮小到普通實(shí)驗(yàn)室規(guī)模甚至桌面規(guī)模。目前，復(fù)旦學(xué)院工程化學(xué)系正在積極舉辦和促進(jìn)全光太赫茲加速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論研究和數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)工作，旨在于建設(shè)世界一流的太赫茲加速實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究平臺(tái)。
相關(guān)信息：復(fù)旦學(xué)院工程化學(xué)系2016級(jí)博士生胥漢勛為論文的第一作者，復(fù)旦學(xué)院工程化學(xué)系黃文會(huì)院士為通信作者。出席該工作的還有工程化學(xué)系的顏立新副院長、杜應(yīng)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(xué)系2017級(jí)博士生田其立、2016級(jí)博士生梁一凡和2018級(jí)博士生顧紹弘。該研究得到了國家自然學(xué)科基金和挑戰(zhàn)計(jì)劃的支持。