Avances en la investigación sobre la aceleración electrónica de ondas de terahercios

Recientemente, el equipo de Li Ruxin, Tian Ye y Song Liwei del Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Shanghai (SIPM) de la Academia de Ciencias de China (CAS) ha logrado importantes avances en el campo de la aceleración de electrones en ondas de terahercios. Basado en la nueva generación de dispositivo experimental integrado de láser de pulso ultracorto ultraintenso de SIPM, el equipo utilizó un láser ultracorto ultraintenso para impulsar la guía de ondas de seda para generar ondas superficiales de terahercios a nivel de milijulios, y utilizó las ondas superficiales para aceleración de electrones, que resolvió los problemas de la generación de ondas de terahercios de alta energía, así como la baja eficiencia del acoplamiento de energía de onda a guía de ondas de terahercios en el espacio libre. El estudio integra la generación, transmisión y acoplamiento de ondas de terahercios en una guía de ondas y logra la mayor ganancia de energía de electrones de 1,1 MeV y un gradiente de aceleración promedio de 210 MV/m a una distancia de 5 mm en la guía de ondas, que es casi un orden de magnitud mayor. que el récord mundial actual de ganancia de energía de electrones para la aceleración de ondas de terahercios y abre un camino completamente nuevo para la investigación del pedal de gas de electrones integrado totalmente óptico.
El pedal del acelerador electrónico miniaturizado e integrado promoverá su aplicación en la ciencia y la tecnología de vanguardia. El uso de la aceleración de electrones impulsada por ondas de terahercios, como tecnología de aceleración emergente desarrollada en la última década, puede proporcionar gradientes de aceleración más altos que la aceleración de RF tradicional y es una de las formas confiables de realizar dispositivos de aceleración miniaturizados y de bajo costo, que es Se espera que el uso de aceleradores se extienda a más escenarios de aplicación, incluidos laboratorios de pequeña escala, hospitales, etc.
El desarrollo actual de la aceleración de electrones de terahercios se basa en tecnología de fuente de terahercios en el espacio libre. Las ondas de terahercios se generan, recolectan, transmiten, convierten la polarización y luego se enfocan en una estructura de guía de ondas que se utiliza para acelerar los electrones. Experimentalmente, para maximizar el gradiente de aceleración de terahercios dentro de la guía de ondas, se requiere una fuente de terahercios para proporcionar suficiente energía para compensar las pérdidas de energía por dispersión, reflexión y conversión de modo en la ruta óptica. Las fuentes de terahercios comunes, como las basadas en cristales ópticos, generalmente requieren la recolección y guía de la radiación de terahercios a través de elementos ópticos y la conversión de modo a través de placas de ondas segmentadas o placas desfasadas, lo que inevitablemente resulta en una pérdida de energía. En comparación con la radiación de terahercios en el espacio libre, las ondas superficiales ópticas unidas a la superficie de un medio, como los polaritones de plasmón superficial (SPP), proporcionan una forma completamente nueva de pensar sobre la guía de terahercios y la conversión de modo.
La exploración a largo plazo del equipo en los campos de fuentes de electrones aceleradas por láser miniaturizadas y fuentes de luz de radiación ha llevado al descubrimiento de un mecanismo de amplificación coherente para polaritones de plasmones de superficie de terahercios, que permite la realización de fuentes de radiación coherentes de polaritones de plasmones de superficie de alta potencia. Basándose en la propiedad de onda de Sommerfeld de las excitaciones isopolarizadas de la superficie de terahercios en una guía de ondas cilíndrica metálica axialmente simétrica y en los modos magnéticos transversales (TM) fundamentales de baja dispersión, el equipo acopló además estas excitaciones isopolarizadas de superficie de terahercios de alta potencia directamente a la Acelera la guía de onda y logró una eficiencia de acoplamiento del 85 por ciento, que puede acoplar efectivamente la energía de terahercios a nivel de milijulios generada por el láser de femtosegundo que bombea la guía de onda cilíndrica metálica con el haz de electrones y, finalmente, en la longitud de 5 mm del electrón para obtener la energía más alta de 1,1 MeV. ganancia y 210 MV / m del gradiente de aceleración promedio, será la actual ganancia de energía de electrones impulsada por ondas de terahercios internacional de los mejores resultados para mejorar casi un orden de magnitud.
En el futuro, el equipo seguirá desarrollando la tecnología integrada de aceleración de electrones totalmente óptica basada en este nuevo esquema de aceleración de electrones impulsada por el modo de onda superficial de terahercios y ampliará sus aplicaciones cruzadas en los campos de detección de materiales y fuentes de radiación a pequeña escala. .
Los resultados de la investigación relevante se publicaron en Nature Photonics con el título Aceleración de electrones megaelectronvoltios impulsada por ondas superficiales de terahercios. La investigación se realizó en colaboración con el Instituto de Maquinaria Óptica de Shanghai, la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing y el Laboratorio de Zhangjiang. La investigación contó con el apoyo del Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China, el Proyecto Piloto Estratégico de la Academia de Ciencias de China (Clase B), el Programa de la Zona Especial de Investigación Básica de Shanghai, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Asociación de Jóvenes Innovadores. de la Academia China de Ciencias y el Programa Star Sail de Inspiración Científica y Tecnológica de Shanghai.

Figura 1. Diagrama esquemático del experimento de aceleración de electrones impulsado por ondas superficiales de terahercios.

Figura 2: Resultados de la ganancia máxima de energía de electrones medidos experimentalmente

Figura 3. Comparación de la intensidad del campo eléctrico dentro de la guía de ondas aceleradora (c) en el estado de espacio libre acoplado a terahercios (a) y la guía de ondas cilíndrica de metal (b)