世界上首次相对论电子束的级联太赫兹加速方案的原理性验证实验

近日，清华大学工程物理系黄文会，颜立新团队完成了世界上首次相对论电子束的级联太赫兹加速方案的原理性验证实验，实现了太赫兹波对相对论电子束的两级级联加速，将太赫兹加速领域的加速梯度和能量增益提高了一个量级。该成果填补了长期以来在太赫兹加速在高能段的技术空白，验证了一条切实可行的高能量太赫兹加速器的技术路线，并为太赫兹加速技术超快科学、强场物理、先进光源与新加速器等领域的应用带来全新的机遇。

图1 级联太赫兹加速器概念图

粒子加速器是现代科学发展的重要研究工具，人们通过大型粒子对撞机研究物质世界的基本组成，利用先进的加速器光源探索精细的微观结构。传统的射频加速器在过去的近百年中为现代科学的发展做出了巨大贡献，然而受限于射频击穿效应，基于传统射频加速技术的下一代高能粒子加速器面临装置结构复杂，造价昂贵等技术挑战。太赫兹加速技术以其超高的加速梯度、极短的脉冲宽度和可靠的时间同步特性，有望将大型加速器缩小到普通的实验室规模，在保证束流品质的同时极大地降低了研究成本，为下一代大型加速器的发展带来重大的技术革新。

2015麻省理工学院（MIT）成功进行了太赫兹低能电子加速的原理性验证。2016年，第一支太赫兹电子枪成功问世。随后，DESY、UCLA、CLARA及上海交通大学等多家单位先后开展了新型太赫兹加速结构、太赫兹电子操控、太赫兹束流诊断等关键技术的研究，将相关研究推向了新的热潮。然而，目前的研究多集中在低能电子加速领域，相对论电子的太赫兹加速由于缺少超强太赫兹辐射源、高品质超短超快电子束以及精密的同步控制技术，近年来一直发展缓慢。此外，相对论电子束的级联加速作为加速器迈向高能不可缺少的核心技术，仍是太赫兹加速领域中一个未被攻克的难题。寻找合适的加速方案，实现相对论电子束的级联加速，将会极大的推动太赫兹加速技术的发展。

图2 高梯度级联太赫兹加速实验示意图

清华大学工程物理系加速器实验室长期致力于高亮度电子束物理、技术与应用的研究。瞄准这个研究方向，2017年7月黄文会、唐传祥教授提出在工程物理系加速器实验室发展太赫兹加速技术，深入研究新加速原理的核心物理与创新技术，进而建设紧凑型全光太赫兹加速器实验平台的基本构想。博士生胥汉勋深入开展了太赫兹加速实验的理论分析和物理设计，与团队成员于2018年4月和2019年12月在清华大学加速器实验室汤姆逊散射源束线上开展高梯度级联太赫兹加速实验。研究团队采用灵巧的双束实验方案（如图2所示），利用驱动电子束基于相干渡越辐射（coherent transition radiation，CTR）产生强太赫兹脉冲，在太赫兹介质管加速器中对后续跟随的超短电子束进行两级同步加速。该方案利用同源的驱动激光在加速器束线上同时产生强太赫兹波（132μJ）和超短的相对论电子束（34.3 MeV,460fsFWHM）并保证了二者的天然的时间同步特性，使得强太赫兹电场（1.1 GV/m）能够稳定的对相对论电子束进行同步加速。经过不断调试和优化，研究团队成功的实现了太赫兹波对相对论电子束的级联加速，观测到了清晰的全束团加速现象，所实现的加速梯度（155 MV/m）和加速能量（204 keV）相较于当前世界上已报道的结果提高了一个量级（如图3、4）。

图3 单级太赫兹加速实验结果

图4 级联太赫兹加速实验结果

相关成果发表在在《自然·光子学》（Nature Photonics）上，论文题为“相对论电子束的高梯度级联太赫兹加速”（Cascaded high-gradient terahertz-driven acceleration of relativistic electron beams）。《自然·光子学》的评审人对该研究成果高度评价，认为这是“太赫兹加速领域内里程碑式的突破”。这一研究成果是太赫兹加速领域中的重大技术突破，验证了太赫兹加速技术走向高能的技术可行性，有望将大型加速器缩小到普通实验室规模甚至桌面规模。目前，清华大学工程物理系正在积极开展和推动全光太赫兹加速实验平台的理论研究和物理设计工作，致力于建设世界一流的太赫兹加速实验及应用研究平台。

清华大学工程物理系2016级博士生胥汉勋为论文的第一作者，清华大学工程物理系黄文会教授为通讯作者。参加该工作的还有工程物理系的颜立新副教授、杜应超副教授、李任恺教授、施嘉儒副教授、唐传祥教授以及工程物理系2017级博士生田其立、2016级博士生梁一凡和2018级博士生顾绍弘。该研究得到了国家自然学科基金和挑战计划的支持。（文/清华大学）