近日,德国DESY自由电子激光器科学中心的研究人员采用高能量的太赫兹光源代替射频器件来加速和操控电子,并将其命名为STEAM——分段太赫兹电子加速器和控制器。

加速电子和操控电子束是大多数用于超快成像以及光谱学的电子和X射线设备的基础。然而目前基于射频器件的加速器需要昂贵的大尺寸、大功率基础设施,这限制了这一关键科学资源的可用性。另外,它们也存在着与激光器同步的固有困难,无法实现极高的时间分辨率。

与传统射频器件相比,新的太赫兹驱动概念在场强、场梯度、激光器同步和紧凑性方面提供了数量级的改进,同时还保证高充电容量(pC)、重复率(kHz)和稳定性,此外,还有可忽略的热负荷。分段太赫兹电子加速器和操纵器(STEAM),能够在超短电子束的六维相空间上进行多个高场操作。使用由单循环微焦耳级0.3 THz脉冲驱动的单个器件,该团队实现了太赫兹加速度大于30 keV,纹理分辨率小于10 fs,聚焦强度大于2 kT /m和压缩至约100 fs以及在加速、压缩、聚焦、偏转和拖尾这些操作模式之间的实时切换。

在诸如欧洲X射线自由电子激光器(XFEL)、直线加速器相干光源(LCLS)或瑞士自由电子激光器(SwissFEL)等大型设备中,STEAM设备功能强大且适应能力优异,因此无需进行复杂且昂贵的机器重构。更重要的是,除了成本和可用性上的优势,以STEAM器件为核心的全太赫兹驱动紧凑型高梯度加速器有能力在桌面平台产生飞秒或阿秒持续时间的高质量可控电子束。

 


图1 实验装置

来源:NATURE

论文连接:https://www.nature.com/articles/s41566-018-0138-z