התקדמות במחקר על האצת אלקטרונים של גלי תרהרץ

לאחרונה, הצוות של Li Ruxin, Tian Ye ו- Song Liwei ממכון שנגחאי לאופטיקה ומכונות מדויקות (SIPM) של האקדמיה הסינית למדעים (CAS) עשה התקדמות חשובה בתחום האצת האלקטרונים בגלי טרה-הרץ. בהתבסס על הדור החדש של מכשיר ניסיוני משולב בדופק אולטרה-קצר במיוחד של SIPM, הצוות השתמש בלייזר אולטרה-קצר אינטנסיבי במיוחד כדי להניע את מוליך גלי המשי ליצירת גלי טרה-הרץ ברמת מילי-ג'אול, והשתמש בגלי פני השטח עבור האצת אלקטרונים, אשר פתרה את הבעיות של יצירת גלי טרה-הרץ באנרגיה גבוהה וכן את היעילות הנמוכה של צימוד אנרגטי טרה-הרץ במרחב פנוי בין גל-למוליך-גל. המחקר משלב יצירה, שידור וצימוד של גל טרה-הרץ לתוך מוליך גל, ומממש את הרווח הגבוה ביותר של 1.1 MeV אנרגית אלקטרונים ושיפוע תאוצה ממוצע של 210 MV/m במרחק של 5 מ"מ במוליך הגל, שהוא כמעט בסדר גודל גבוה יותר יותר מהשיא העולמי הנוכחי של רווח אנרגית אלקטרונים להאצת גלי טרה-הרץ ופותח מסלול חדש לגמרי למחקר של דוושת גז אלקטרונים משולבת כולה אופטית.
דוושת גז האלקטרונים הממוזערת והמשולבת תקדם את יישומו במדע ובטכנולוגיה חזיתית. השימוש בתאוצת אלקטרונים מונעת על ידי גל טרה-הרץ, כטכנולוגיית תאוצה מתפתחת שפותחה בעשור האחרון, יכול לספק שיפועים תאוצה גבוהים יותר מהאצת RF מסורתית, והוא אחת הדרכים האמינות למימוש התקני האצה ממוזערים בעלות נמוכה. צפוי להרחיב את השימוש בדוושות גז ליותר תרחישי יישומים, כולל מעבדות בקנה מידה קטן, בתי חולים וכן הלאה.
הפיתוח הנוכחי של האצת אלקטרונים טרה-הרץ מבוסס על טכנולוגיית מקור טרה-הרץ במרחב פנוי. גלי טרה-הרץ נוצרים, נאספים, מועברים, מומרים בקיטוב ואז מתמקדים במבנה מוליך גל המשמש להאצת האלקטרונים. באופן ניסיוני, על מנת למקסם את שיפוע התאוצה של טרה-הרץ בתוך מוליך הגל, נדרש מקור טרה-הרץ שיספק מספיק אנרגיה כדי לפצות על הפסדי האנרגיה מפיזור, השתקפות והמרת מצב בנתיב האופטי. מקורות טרה-הרץ נפוצים, כגון אלו המבוססים על גבישים אופטיים, דורשים בדרך כלל איסוף והנחיה של קרינת טרה-הרץ באמצעות אלמנטים אופטיים והמרת מצב באמצעות לוחות גלים מפולחים או לוחות המוזזים בפאזה, מה שגורם בהכרח לאובדן אנרגיה. בהשוואה לקרינת טרה-הרץ בחלל פנוי, גלי משטח אופטיים הקשורים לפני השטח של תווך, כגון פולריטונים פלסמונים משטחים (SPPs), מספקים דרך חדשה לחלוטין לחשיבה על הנחיית טרה-הרץ והמרת מצבים.
החקירה ארוכת הטווח של הצוות בתחומי מקורות אלקטרונים מואצים בלייזר ממוזערים ומקורות אור קרינה הובילה לגילוי של מנגנון הגברה קוהרנטי לקוטבי פלסמון משטח טרה-הרץ, המאפשר מימוש של מקורות קרינה קוהרנטיים של קוטבי פלסמון משטחי שטח. בהתבסס על תכונת הגל של זומרפלד של עירורים מקוטבי איזו משטח טרה-הרץ על מוליך גל גלילי מתכתי אקסי-סימטרי, ועל המצבים המגנטיים הבסיסיים רוחביים (TM) בפיזור נמוך, הצוות חיבר עוד יותר את העירורים המקוטבים באיזו משטח טרה-הרץ בעוצמה גבוהה ישירות ל- מאיץ את מוליך הגל, והשיג יעילות צימוד של 85 אחוז, שיכולה לקשר ביעילות את אנרגיית הטרה-הרץ ברמת המיליג'אול שנוצרת בלייזר פמט שנייה השואבת את מוליך הגל הגלילי המתכתי עם קרן האלקטרון, ובסופו של דבר באורך 5 מ"מ של האלקטרון כדי להשיג את האנרגיה הגבוהה ביותר של 1.1 MeV. רווח ו-210 MV/m של שיפוע התאוצה הממוצע, יהיו הרווח הבינלאומי הנוכחי של אנרגיית אלקטרונים מונעת על ידי גל טרה-הרץ של התוצאות הטובות ביותר כדי לשפר את כמעט סדר גודל.
בעתיד, הצוות ימשיך לפתח את טכנולוגיית האצת האלקטרונים המשולבת הכל-אופטית המבוססת על תכנית חדשה זו של האצת אלקטרונים מונעת על ידי גלי פני השטח של טרה-הרץ, וירחיב את היישומים הצולבים שלה בתחומי זיהוי מקור קרינה וחומרים בקנה מידה קטן. .
תוצאות המחקר הרלוונטיות פורסמו ב-Nature Photonics תחת הכותרת תאוצת אלקטרונים Megaelectronvolt המונעת על ידי גלי שטח טרה-הרץ. המחקר נעשה בשיתוף פעולה עם מכון שנחאי למכונות אופטיות, אוניברסיטת בייג'ינג לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה ומעבדת ג'אנג-ג'יאנג. המחקר נתמך על ידי תוכנית המפתח הלאומית למחקר ופיתוח של סין, פרויקט הפיילוט האסטרטגי של האקדמיה הסינית למדעים (Class B), תוכנית האזור המיוחד למחקר בסיסי של שנחאי, הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, איגוד החדשנים הצעירים של האקדמיה הסינית למדעים, ותוכנית השייטת של כוכבי ההשראה למדע וטכנולוגיה של שנחאי.

איור 1. דיאגרמה סכמטית של ניסוי האצת אלקטרונים מונע על פני השטח של טרה-הרץ.

איור 2: תוצאות רווח מקסימלי של אנרגיית אלקטרונים שנמדדו בניסוי

איור 3. השוואה של עוצמת השדה החשמלי בתוך מוליך הגל המאיץ (c) במצב מצמוד טרה-הרץ של שטח פנוי (א) ומוליך גל גלילי מתכתי (ב)