使用太赫兹辐射的发明可使粒子加速器小10倍

时间：2021-10-09 19:52:07 来源：

SLAC的科学家已经发明了一种铜加速器结构，可以使未来的X射线激光器和用于放射治疗的加速器更加紧凑。它将太赫兹辐射馈送到一个微小的腔体中，以将粒子增强为巨大的能量。此图显示了结构的一半，空腔在圆圈区域中。插图：腔的一部分的扫描电子显微镜图像，该腔的长度为3.5毫米，最窄点为280微米。

SLAC发明使用太赫兹辐射为微型铜加速器结构提供动力。

粒子加速器产生高能量的电子，质子和离子束，用于广泛的应用，其中包括撞击自然界中亚原子成分的粒子对撞机，在化学反应过程中成膜原子和分子的X射线激光以及用于治疗癌症的医疗设备。

根据经验，加速器越长，功能越强大。现在，由能源部的SLAC国家加速器实验室的科学家领导的一个团队发明了一种新型的加速器结构，该结构在给定的距离内提供的能量增益比传统的加速器大10倍。这可以使给定应用程序中使用的加速器缩短10倍。

最近在《应用物理学快报》上发表的一篇文章中描述了该技术背后的关键思想，即使用太赫兹辐射来增强粒子能量。

在当今的加速器中，粒子从射频（RF）场中吸收能量，并将其馈入形状特殊的加速器结构或空腔中。每个腔在给定的距离内只能提供有限的能量提升，因此需要非常长的腔串才能产生高能束。

太赫兹和无线电波都是电磁辐射。它们各自的波长不同。因为太赫兹波比无线电波短10倍，所以太赫兹加速器中的空腔也可以小得多。实际上，这项研究中发明的只有0.2英寸长。

制造这些微小的空腔结构的主要挑战是对其进行非常精确的加工。在过去的几年中，SLAC团队开发了一种方法来做到这一点。他们没有使用传统的将多层铜相互堆叠的方法，而是通过加工两半并将它们粘合在一起来构建微小的结构。

这种新结构还产生的粒子脉冲比传统铜结构产生的粒子脉冲短一千倍，后者可用于产生以更高速率发射脉冲并在给定时间段内释放更多功率的光束。

接下来，研究人员正计划将这项发明变成电子枪-一种可以为发现科学产生令人难以置信的明亮电子束的设备，其中包括下一代X射线激光和电子显微镜，它们可以让我们实时了解自然在原子水平上起作用。这些光束也可以用于癌症治疗。

发挥这种潜力还需要进一步开发太赫兹辐射源，并将其与先进的加速器集成在一起，例如本研究中所述的那种。由于太赫兹辐射具有如此短的波长，因此其来源特别难以开发，并且目前几乎没有可用的技术。SLAC的研究人员正在追求产生电子束和基于激光的太赫兹信号，以提供将加速器研究转化为未来实际应用所需的高峰值功率。

参考：Mohamed AK Othman，Julian Picard，Samuel Schaub，Valery A. Dolgashev，Samantha M. Lewis，Jeffery Neilson，Andrew Haase，Sudheer Jawla，Bruno Spataro，Richard J. Temkin的“外部驱动的毫米波粒子加速器结构的实验演示” ，萨米·坦塔维（Sami Tantawi）和埃米利奥·A·南尼（Emilio A.Nanni），2020年8月18日，应用物理快报。
10.1063/5.0011397

该项目由SLAC的Mohamed Othman和Emilio Nanni领导。该加速器结构是在SLAC设计和制造的，并使用了麻省理工学院的特殊太赫兹辐射源进行了测试。其他捐款来自意大利国家核物理研究所（INFN）。该项目由美国能源部科学办公室资助，其中包括授予南尼的美国能源部科学办公室早期职业研究计划奖，以及美国国家科学基金会。

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