導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
（圖片來源：CERN）
可是，粒子加速器一般來說都是龐大、沉重、造價高昂的。例如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）深埋於地下，重約38000噸，長達27公里。
導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
（圖片來源：CERN）
可是，粒子加速器一般來說都是龐大、沉重、造價高昂的。例如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）深埋於地下，重約38000噸，長達27公里。
（圖片來源：CERN）
顯然，這種大型粒子加速器操作和應用起來難度都很大。為了進一步方便粒子加速器操作並拓展其應用，科學家們正在研究更加小巧、便攜、易操作的微型粒子加速器。
導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
（圖片來源：CERN）
可是，粒子加速器一般來說都是龐大、沉重、造價高昂的。例如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）深埋於地下，重約38000噸，長達27公里。
（圖片來源：CERN）
顯然，這種大型粒子加速器操作和應用起來難度都很大。為了進一步方便粒子加速器操作並拓展其應用，科學家們正在研究更加小巧、便攜、易操作的微型粒子加速器。
三顆“芯片上的加速器”（圖片來源：美國SLAC國家加速器實驗室）
創新
近日，德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學家們在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
與此同時，正如張東方（音）博士及其來自DESY自由電子激光科學中心（CFEL）的同事們在《Optica》雜誌上所報告的那樣，相比於採用這項技術的早期實驗，該裝置顯著改善了電子束的品質。張博士表示：“我們實現了目前為止對於太赫茲加速器來說最佳的光束參數。”
DESY超高速光學與X射線研究組的領頭人 Franz Kärtner 強調稱：“這一成果代表朝著具體實現太赫茲驅動的加速器邁出了關鍵一步。”
技術
在電磁頻譜中，太赫茲輻射位於紅外線與微波的頻率之間，有望帶來新一代緊湊型粒子加速器。
導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
（圖片來源：CERN）
可是，粒子加速器一般來說都是龐大、沉重、造價高昂的。例如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）深埋於地下，重約38000噸，長達27公里。
（圖片來源：CERN）
顯然，這種大型粒子加速器操作和應用起來難度都很大。為了進一步方便粒子加速器操作並拓展其應用，科學家們正在研究更加小巧、便攜、易操作的微型粒子加速器。
三顆“芯片上的加速器”（圖片來源：美國SLAC國家加速器實驗室）
創新
近日，德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學家們在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
與此同時，正如張東方（音）博士及其來自DESY自由電子激光科學中心（CFEL）的同事們在《Optica》雜誌上所報告的那樣，相比於採用這項技術的早期實驗，該裝置顯著改善了電子束的品質。張博士表示：“我們實現了目前為止對於太赫茲加速器來說最佳的光束參數。”
DESY超高速光學與X射線研究組的領頭人 Franz Kärtner 強調稱：“這一成果代表朝著具體實現太赫茲驅動的加速器邁出了關鍵一步。”
技術
在電磁頻譜中，太赫茲輻射位於紅外線與微波的頻率之間，有望帶來新一代緊湊型粒子加速器。
太赫茲輻射（圖片來源：維基百科）
Kärtner 解釋道：“太赫茲輻射的波長大約是目前用於加速粒子的無線電波的百分之一。這意味著，加速器組件的尺寸也可以做成約為原來的百分之一。”太赫茲方案有望為實驗室尺寸的加速器帶來全新的應用，例如用於材料科學的小型X射線源，甚至可用於醫療成像。這項技術目前正在開發之中。
下圖所示：微型加速器STEAM（中間）被太赫茲輻射（黃色，來自於兩側）驅動。它可以加速、壓縮、聚焦和分析入射的電子束（藍色）。
導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
（圖片來源：CERN）
可是，粒子加速器一般來說都是龐大、沉重、造價高昂的。例如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）深埋於地下，重約38000噸，長達27公里。
（圖片來源：CERN）
顯然，這種大型粒子加速器操作和應用起來難度都很大。為了進一步方便粒子加速器操作並拓展其應用，科學家們正在研究更加小巧、便攜、易操作的微型粒子加速器。
三顆“芯片上的加速器”（圖片來源：美國SLAC國家加速器實驗室）
創新
近日，德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學家們在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
與此同時，正如張東方（音）博士及其來自DESY自由電子激光科學中心（CFEL）的同事們在《Optica》雜誌上所報告的那樣，相比於採用這項技術的早期實驗，該裝置顯著改善了電子束的品質。張博士表示：“我們實現了目前為止對於太赫茲加速器來說最佳的光束參數。”
DESY超高速光學與X射線研究組的領頭人 Franz Kärtner 強調稱：“這一成果代表朝著具體實現太赫茲驅動的加速器邁出了關鍵一步。”
技術
在電磁頻譜中，太赫茲輻射位於紅外線與微波的頻率之間，有望帶來新一代緊湊型粒子加速器。
太赫茲輻射（圖片來源：維基百科）
Kärtner 解釋道：“太赫茲輻射的波長大約是目前用於加速粒子的無線電波的百分之一。這意味著，加速器組件的尺寸也可以做成約為原來的百分之一。”太赫茲方案有望為實驗室尺寸的加速器帶來全新的應用，例如用於材料科學的小型X射線源，甚至可用於醫療成像。這項技術目前正在開發之中。
下圖所示：微型加速器STEAM（中間）被太赫茲輻射（黃色，來自於兩側）驅動。它可以加速、壓縮、聚焦和分析入射的電子束（藍色）。
（圖片來源：DESY, Lucid Berlin）
因為太赫茲波振盪得非常快，所以每個組件以及每一步都必須精準地同步。張博士解釋道：“例如，為了實現最佳的能量增益，電子必須在其加速半週期之內準確擊中太赫茲場。”在加速器中，粒子通常不會以連續粒子束的形式飛行，而是打包成一束一束。因為場在快速變化，在太赫茲加速器中，這些粒子束必須非常短，從而保證沿著粒子束的均等加速狀態。
張博士表示：“在之前的實驗中，電子束太長了。由於太赫茲場振盪得如此之快，束中的一些電子被加速，而另外一些甚至被減束了。所以，總的來說，這樣只會產生適度的能量增益，而且更重要的是，能量廣泛發散，導致了粒子束的品質變差。”更糟糕的是，這種效應大大增加了發射度，發射度可以度量粒子束橫向束縛情況的好壞。粒子束縛得越緊越好（發射度越低）。
為了改善光束質量，張博士及其同事們通過他們之前開發的多用途設備打造了一個兩段式加速器：分段式太赫茲電子加速器與操作器（STEAM）可以壓縮、聚焦、加速和分析具有太赫茲輻射的電子束。
下圖所示：STEAM 堪稱電子束的瑞士軍刀。根據運作模式，它將四個功能集於一身，可以壓縮、聚焦、分析和加速電子束。
導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
（圖片來源：CERN）
可是，粒子加速器一般來說都是龐大、沉重、造價高昂的。例如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）深埋於地下，重約38000噸，長達27公里。
（圖片來源：CERN）
顯然，這種大型粒子加速器操作和應用起來難度都很大。為了進一步方便粒子加速器操作並拓展其應用，科學家們正在研究更加小巧、便攜、易操作的微型粒子加速器。
三顆“芯片上的加速器”（圖片來源：美國SLAC國家加速器實驗室）
創新
近日，德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學家們在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
與此同時，正如張東方（音）博士及其來自DESY自由電子激光科學中心（CFEL）的同事們在《Optica》雜誌上所報告的那樣，相比於採用這項技術的早期實驗，該裝置顯著改善了電子束的品質。張博士表示：“我們實現了目前為止對於太赫茲加速器來說最佳的光束參數。”
DESY超高速光學與X射線研究組的領頭人 Franz Kärtner 強調稱：“這一成果代表朝著具體實現太赫茲驅動的加速器邁出了關鍵一步。”
技術
在電磁頻譜中，太赫茲輻射位於紅外線與微波的頻率之間，有望帶來新一代緊湊型粒子加速器。
太赫茲輻射（圖片來源：維基百科）
Kärtner 解釋道：“太赫茲輻射的波長大約是目前用於加速粒子的無線電波的百分之一。這意味著，加速器組件的尺寸也可以做成約為原來的百分之一。”太赫茲方案有望為實驗室尺寸的加速器帶來全新的應用，例如用於材料科學的小型X射線源，甚至可用於醫療成像。這項技術目前正在開發之中。
下圖所示：微型加速器STEAM（中間）被太赫茲輻射（黃色，來自於兩側）驅動。它可以加速、壓縮、聚焦和分析入射的電子束（藍色）。
（圖片來源：DESY, Lucid Berlin）
因為太赫茲波振盪得非常快，所以每個組件以及每一步都必須精準地同步。張博士解釋道：“例如，為了實現最佳的能量增益，電子必須在其加速半週期之內準確擊中太赫茲場。”在加速器中，粒子通常不會以連續粒子束的形式飛行，而是打包成一束一束。因為場在快速變化，在太赫茲加速器中，這些粒子束必須非常短，從而保證沿著粒子束的均等加速狀態。
張博士表示：“在之前的實驗中，電子束太長了。由於太赫茲場振盪得如此之快，束中的一些電子被加速，而另外一些甚至被減束了。所以，總的來說，這樣只會產生適度的能量增益，而且更重要的是，能量廣泛發散，導致了粒子束的品質變差。”更糟糕的是，這種效應大大增加了發射度，發射度可以度量粒子束橫向束縛情況的好壞。粒子束縛得越緊越好（發射度越低）。
為了改善光束質量，張博士及其同事們通過他們之前開發的多用途設備打造了一個兩段式加速器：分段式太赫茲電子加速器與操作器（STEAM）可以壓縮、聚焦、加速和分析具有太赫茲輻射的電子束。
下圖所示：STEAM 堪稱電子束的瑞士軍刀。根據運作模式，它將四個功能集於一身，可以壓縮、聚焦、分析和加速電子束。
（圖片來源：DESY, Gesine Born）
研究人員們將兩個STEAM裝置排成一行。他們首先將入射電子束的長度從約0.3毫米壓縮至0.1毫米，然後再通過第二個STEAM設備，加速壓縮後的電子束。
下圖所示：兩段式微型加速器在太赫茲輻射（紅色）下運作。第一步（左），電子束（藍色）被壓縮；第二步（右），電子束被加速。兩個單獨的元件每個大約是兩釐米寬。
導讀
據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該校在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
背景
如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。通過高能粒子的碰撞，物理學家不斷探索著宇宙的本質。簡單說，粒子加速器就是一種能夠將基本粒子加速到非常高能量的機器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控制、電場力加速而達到高能量。
（圖片來源：CERN）
可是，粒子加速器一般來說都是龐大、沉重、造價高昂的。例如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）深埋於地下，重約38000噸，長達27公里。
（圖片來源：CERN）
顯然，這種大型粒子加速器操作和應用起來難度都很大。為了進一步方便粒子加速器操作並拓展其應用，科學家們正在研究更加小巧、便攜、易操作的微型粒子加速器。
三顆“芯片上的加速器”（圖片來源：美國SLAC國家加速器實驗室）
創新
近日，德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學家們在實驗型微型粒子加速器領域創造了一項新的世界紀錄。史上首次，這種太赫茲驅動的加速器將注入電子的能量提高了一倍多。
與此同時，正如張東方（音）博士及其來自DESY自由電子激光科學中心（CFEL）的同事們在《Optica》雜誌上所報告的那樣，相比於採用這項技術的早期實驗，該裝置顯著改善了電子束的品質。張博士表示：“我們實現了目前為止對於太赫茲加速器來說最佳的光束參數。”
DESY超高速光學與X射線研究組的領頭人 Franz Kärtner 強調稱：“這一成果代表朝著具體實現太赫茲驅動的加速器邁出了關鍵一步。”
技術
在電磁頻譜中，太赫茲輻射位於紅外線與微波的頻率之間，有望帶來新一代緊湊型粒子加速器。
太赫茲輻射（圖片來源：維基百科）
Kärtner 解釋道：“太赫茲輻射的波長大約是目前用於加速粒子的無線電波的百分之一。這意味著，加速器組件的尺寸也可以做成約為原來的百分之一。”太赫茲方案有望為實驗室尺寸的加速器帶來全新的應用，例如用於材料科學的小型X射線源，甚至可用於醫療成像。這項技術目前正在開發之中。
下圖所示：微型加速器STEAM（中間）被太赫茲輻射（黃色，來自於兩側）驅動。它可以加速、壓縮、聚焦和分析入射的電子束（藍色）。
（圖片來源：DESY, Lucid Berlin）
因為太赫茲波振盪得非常快，所以每個組件以及每一步都必須精準地同步。張博士解釋道：“例如，為了實現最佳的能量增益，電子必須在其加速半週期之內準確擊中太赫茲場。”在加速器中，粒子通常不會以連續粒子束的形式飛行，而是打包成一束一束。因為場在快速變化，在太赫茲加速器中，這些粒子束必須非常短，從而保證沿著粒子束的均等加速狀態。
張博士表示：“在之前的實驗中，電子束太長了。由於太赫茲場振盪得如此之快，束中的一些電子被加速，而另外一些甚至被減束了。所以，總的來說，這樣只會產生適度的能量增益，而且更重要的是，能量廣泛發散，導致了粒子束的品質變差。”更糟糕的是，這種效應大大增加了發射度，發射度可以度量粒子束橫向束縛情況的好壞。粒子束縛得越緊越好（發射度越低）。
為了改善光束質量，張博士及其同事們通過他們之前開發的多用途設備打造了一個兩段式加速器：分段式太赫茲電子加速器與操作器（STEAM）可以壓縮、聚焦、加速和分析具有太赫茲輻射的電子束。
下圖所示：STEAM 堪稱電子束的瑞士軍刀。根據運作模式，它將四個功能集於一身，可以壓縮、聚焦、分析和加速電子束。
（圖片來源：DESY, Gesine Born）
研究人員們將兩個STEAM裝置排成一行。他們首先將入射電子束的長度從約0.3毫米壓縮至0.1毫米，然後再通過第二個STEAM設備，加速壓縮後的電子束。
下圖所示：兩段式微型加速器在太赫茲輻射（紅色）下運作。第一步（左），電子束（藍色）被壓縮；第二步（右），電子束被加速。兩個單獨的元件每個大約是兩釐米寬。
（圖片來源：DESY, Gesine Born）
價值
張博士表示：“這個方案需要在千萬億分之一秒的水平上進行控制，而我們做到了。這將使得能量發散降低到四分之一，並將發射度降低為六分之一，從而獲得迄今為止最佳的太赫茲加速器粒子束參數。”
注入能量為55keV的電子的淨能量增益為70keV。張博士強調：“這是首次在太赫茲驅動的加速器中實現超過100%的能量提升。”這個耦合裝置產生出達2億伏特/米的峰值強度，接近於最先進、最強大的傳統加速器。然而對於實際應用來說，它仍有很大的改進空間。
張博士總結道：“我們的研究表明，電子束的壓縮強度即使超過三倍也是可能的。加上更高的太赫茲能量，每米千兆伏特的加速度梯度似乎也是可行的。因此，太赫茲概念越來越有希望成為設計小型電子加速器的一個現實選擇。”
關鍵字
太赫茲、電子、加速器
參考資料
【1】Dongfang Zhang, Arya Fallahi, Michael Hemmer, Hong Ye, Moein Fakhari, Yi Hua, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Luis E. Zapata, Nicholas H. Matlis, Franz X. Kärtner. Femtosecond phase control in high field Terahertz driven ultrafast electron sources. Optica, 2019; DOI: 10.1364/OPTICA.6.000872
【2】http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1654&two_columns=1
【3】http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1371&two_columns=1