ความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับการเร่งอิเล็กตรอนของคลื่นเทราเฮิร์ตซ์

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมงานของ Li Ruxin, Tian Ye และ Song Liwei จากสถาบันทัศนศาสตร์และเครื่องจักรความแม่นยำแห่งเซี่ยงไฮ้ (SIPM) ของ Chinese Academy of Sciences (CAS) มีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนที่คลื่นเทราเฮิร์ตซ์ จากอุปกรณ์ทดลองเลเซอร์พัลส์สั้นพิเศษที่มีความเข้มข้นเป็นพิเศษรุ่นใหม่ของ SIPM ทีมงานได้ใช้เลเซอร์สั้นพิเศษที่มีความเข้มข้นเป็นพิเศษเพื่อขับเคลื่อนท่อนำคลื่นไหมเพื่อสร้างคลื่นพื้นผิวเทราเฮิร์ตซ์ระดับมิลลิจูล และใช้คลื่นพื้นผิวสำหรับ การเร่งความเร็วของอิเล็กตรอน ซึ่งช่วยแก้ปัญหาการสร้างคลื่นเทราเฮิร์ตซ์พลังงานสูง รวมถึงประสิทธิภาพต่ำของการเชื่อมต่อพลังงานท่อนำคลื่นระหว่างคลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์ในพื้นที่ว่าง การศึกษาผสมผสานการสร้าง การส่งผ่าน และการเชื่อมต่อของคลื่นเทราเฮิร์ตซ์เข้ากับท่อนำคลื่น และตระหนักถึงพลังงานอิเล็กตรอนที่ได้รับสูงสุด 1.1 MeV และการไล่ระดับความเร่งเฉลี่ย 210 MV/m ที่ระยะ 5 มม. ในท่อนำคลื่น ซึ่งเกือบจะสูงกว่าลำดับความสำคัญ มากกว่าสถิติโลกในปัจจุบันของพลังงานอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นสำหรับการเร่งคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ และเปิดเส้นทางใหม่ล่าสุดสำหรับการวิจัยคันเร่งก๊าซอิเล็กตรอนแบบรวมแสงทั้งหมด
แป้นเหยียบก๊าซอิเล็กตรอนขนาดจิ๋วและบูรณาการจะส่งเสริมการใช้งานในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับแนวหน้า การใช้การเร่งอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ในฐานะเทคโนโลยีการเร่งความเร็วที่เกิดขึ้นใหม่ที่พัฒนาขึ้นในทศวรรษที่ผ่านมา สามารถให้การไล่ระดับความเร่งที่สูงกว่าการเร่งความเร็ว RF แบบเดิม และเป็นหนึ่งในวิธีที่เชื่อถือได้ในการสร้างอุปกรณ์เร่งความเร็วขนาดเล็กที่มีต้นทุนต่ำ ซึ่งก็คือ คาดว่าจะขยายการใช้คันเร่งไปยังสถานการณ์การใช้งานต่างๆ มากขึ้น รวมถึงห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก โรงพยาบาล และอื่นๆ
พัฒนาการของการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนเทราเฮิร์ตซ์ในปัจจุบันมีพื้นฐานอยู่บนเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดเทระเฮิร์ตซ์ในอวกาศ คลื่นเทราเฮิร์ตซ์ถูกสร้างขึ้น รวบรวม ส่ง แปลงโพลาไรเซชัน จากนั้นมุ่งเน้นไปที่โครงสร้างท่อนำคลื่นที่ใช้ในการเร่งอิเล็กตรอน จากการทดลอง เพื่อเพิ่มการไล่ระดับความเร่งเทระเฮิร์ตซ์ภายในท่อนำคลื่นให้สูงสุด แหล่งกำเนิดเทระเฮิร์ตซ์จำเป็นต้องให้พลังงานเพียงพอเพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงานจากการกระเจิง การสะท้อน และการแปลงโหมดในเส้นทางแสง แหล่งกำเนิดเทราเฮิร์ตซ์ทั่วไป เช่น แหล่งที่มาจากคริสตัลออพติคัล มักจะต้องมีการรวบรวมและการนำทางของรังสีเทราเฮิร์ตซ์ผ่านองค์ประกอบทางแสงและการแปลงโหมดผ่านแผ่นคลื่นแบบแบ่งส่วนหรือเพลตแบบเปลี่ยนเฟส ซึ่งส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เมื่อเปรียบเทียบกับการแผ่รังสีเทระเฮิร์ตซ์ในอวกาศ คลื่นพื้นผิวเชิงแสงที่จับกับพื้นผิวของตัวกลาง เช่น โพลาริตอนพลาสมอนพื้นผิว (SPP) ทำให้เกิดแนวคิดใหม่โดยสิ้นเชิงเกี่ยวกับการนำทางเทราเฮิร์ตซ์และการแปลงโหมด
การสำรวจในระยะยาวของทีมในด้านแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนที่เร่งด้วยเลเซอร์ขนาดเล็กและแหล่งกำเนิดแสงจากรังสีได้นำไปสู่การค้นพบกลไกการขยายสัญญาณที่สอดคล้องกันสำหรับโพลาริตอนพลาสโมนพลาสโมนพื้นผิวเทอร์เฮิร์ตซ์ ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างโพลาริตอนพลาสมอนพื้นผิวที่มีกำลังสูงที่มีแหล่งกำเนิดรังสีที่สอดคล้องกันได้ จากคุณสมบัติคลื่น Sommerfeld ของการกระตุ้นไอโซโพลาไรซ์บนพื้นผิวเทราเฮิร์ตซ์บนท่อนำคลื่นโลหะทรงกระบอกแกนสมมาตร และในโหมดแม่เหล็กตามขวางพื้นฐาน (TM) ที่มีการกระจายตัวต่ำ ทีมงานยังได้เพิ่มการกระตุ้นด้วยไอโซโพลาไรซ์พื้นผิวเทอร์เฮิร์ตซ์กำลังสูงนี้โดยตรงกับ ท่อนำคลื่นเร่ง และบรรลุประสิทธิภาพการเชื่อมต่อที่ 85 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสามารถจับคู่พลังงานเทระเฮิร์ตซ์ระดับมิลลิจูลที่สร้างโดยเลเซอร์ femtosecond ที่สูบท่อนำคลื่นโลหะทรงกระบอกด้วยลำอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และท้ายที่สุดจะอยู่ที่ความยาว 5 มม. ของอิเล็กตรอนเพื่อให้ได้พลังงานสูงสุด 1.1 MeV ได้รับและ 210 MV / m ของการไล่ระดับความเร่งเฉลี่ยจะเป็นพลังงานอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยคลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์ระหว่างประเทศในปัจจุบันของผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเพื่อเพิ่มลำดับความสำคัญเกือบ
ในอนาคต ทีมงานจะพัฒนาเทคโนโลยีการเร่งความเร็วอิเล็กตรอนแบบออปติคอลทั้งหมดแบบบูรณาการ โดยอาศัยรูปแบบใหม่ของการเร่งความเร็วอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยโหมดคลื่นพื้นผิวเทอร์เฮิร์ตซ์ และขยายการใช้งานข้ามสาขาในด้านแหล่งกำเนิดรังสีขนาดเล็กและการตรวจจับวัสดุ .
ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ใน Nature Photonics ภายใต้ชื่อการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ที่ขับเคลื่อนด้วยคลื่นพื้นผิวเทอร์เฮิร์ตซ์ การวิจัยนี้ดำเนินการร่วมกับสถาบันเครื่องจักรกลเชิงแสงแห่งเซี่ยงไฮ้ มหาวิทยาลัยการบินและอวกาศแห่งปักกิ่ง และห้องปฏิบัติการจางเจียง การวิจัยได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญแห่งชาติของจีน, โครงการนำร่องเชิงกลยุทธ์ของสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (คลาส B), โครงการเขตพิเศษการวิจัยขั้นพื้นฐานเซี่ยงไฮ้, มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน, สมาคมนวัตกรรมรุ่นเยาว์ ของ Chinese Academy of Sciences และโครงการ Shanghai Science and Technology Inspiration Star Sail

รูปที่ 1 แผนผังของการทดลองการเร่งอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนด้วยคลื่นพื้นผิวเทอร์เฮิร์ตซ์

รูปที่ 2: ผลลัพธ์ที่ได้รับพลังงานอิเล็กตรอนสูงสุดที่วัดได้จากการทดลอง

รูปที่ 3 การเปรียบเทียบความแรงของสนามไฟฟ้าภายในท่อนำคลื่นเร่ง (c) ในสถานะพื้นที่ว่าง (a) และท่อนำคลื่นทรงกระบอกโลหะ (b)