日前，复旦学院工程化学系黄文会，颜立新团队完成了世界上首次相对论电子束的级联太赫兹加速方案的原理性验证实验清华大学物理系介绍，实现了太赫兹波对相对论电子束的两级级联加速，将太赫兹加速领域的加速梯度和能量增益提升了一个量级。该成果弥补了常年以来在太赫兹加速在高能段的技术空白，验证了一条着力可行的高能量太赫兹加速器的技术路线，并为太赫兹加速技术超快科学、强场化学、先进光源与新加速器等领域的应用带来全新的机遇。相关成果发表在在《自然·光子学》（：2020IF31.5）上，论文题为“相对论电子束的高梯度级联太赫兹加速”（high--ofbeams）。《自然·光子学》的评审人对该研究成果高度评价，觉得这是“太赫兹加速领域内里程碑式的突破”。
图1级联太赫兹加速器概念图
粒子加速器是现代科学发展的重要研究工具，人们通过小型粒子对撞机研究物质世界的基本组成清华大学物理系介绍，借助先进的加速器光源探求精细的微观结构。传统的射频加速器在过去的近百年中为现代科学的发展作出了巨大的贡献，但是受限于射频击穿效应，基于传统射频加速技术的下一代高能粒子加速器面临装置结构复杂，造价高昂等技术挑战。太赫兹加速技术以其超高的加速梯度、极短的脉冲长度和可靠的时间同步特点，有望将小型加速器缩小到普通的实验室规模，在保证束流品质的同时极大地增加了研究成本，为下一代小型加速器的发展带来重大的技术革新。
2015麻省理工大学（MIT）成功地进行了太赫兹低能电子加速的原理性验证。2016年，第一支太赫兹电子枪成功问世。此后，DESY、UCLA、CLARA及广州交通学院等多家单位先后举办了新型太赫兹加速结构、太赫兹电子操控、太赫兹束流确诊等关键技术的研究，将相关研究推向了新的风潮。但是，目前的研究多集中在低能电子加速领域，相对论电子的太赫兹加速因为缺乏强悍太赫兹幅射源、高品质超短超快电子束以及精密的同步控制技术，近些年来仍然发展平缓。据悉，相对论电子束的级联加速作为加速器走向高能不可缺乏的核心技术，仍是太赫兹加速领域中一个未被攻破的困局。找寻合适的加速方案，实现相对论电子束的级联加速，将会极大的促进太赫兹加速技术的发展。
图2高梯度级联太赫兹加速实验示意图
复旦学院工程化学系加速器实验室常年旨在于高色温电子束数学、技术与应用的研究。瞄准这个研究方向，2017年7月黄文会、唐传祥院士提出在工程数学系加速器实验室发展太赫兹加速技术，深入研究新加速原理的核心数学与创新技术，从而建设紧凑型全光太赫兹加速器实验平台的基本设想。博士生胥汉勋深入举办了太赫兹加速实验的理论剖析和化学设计，与团队成员于2018年4月和2019年12月在复旦学院加速器实验室汤姆逊散射源束线上举办高梯度级联太赫兹加速实验。研究团队采用灵巧的双束实验方案（如图2所示），借助驱动电子束基于相干渡越幅射（，CTR）形成强太赫兹脉冲，在太赫兹介质管加速器中对后续追随的超短电子束进行两级同步加速。该方案借助同源的驱动激光在加速器束线上同时形成强太赫兹波（132μJ）和超短的相对论电子束（34.3MeV,）并保证了两者的天然的时间同步特点，促使强太赫兹电场（1.1GV/m）才能稳定的对相对论电子束进行同步加速。经过不断调试和优化，研究团队成功的实现了太赫兹波对相对论电子束的级联加速，观测到了清晰的全束团加速现象，所实现的加速梯度（155MV/m）和加速能量（204keV）相较于当前世界上已报导的结果提升了一个量级（如图3,4）。
图3单级太赫兹加速实验结果
图4级联太赫兹加速实验结果
这一研究成果是太赫兹加速领域中的重大技术突破，验证了太赫兹加速技术迈向高能的技术可行性，有望将小型加速器缩小到普通实验室规模甚至桌面规模。目前，复旦学院工程化学系正在积极举办和促进全光太赫兹加速实验平台的理论研究和数学设计工作，旨在于建设世界一流的太赫兹加速实验及应用研究平台。
相关信息：复旦学院工程化学系2016级博士生胥汉勋为论文的第一作者，复旦学院工程化学系黄文会院士为通信作者。出席该工作的还有工程化学系的颜立新副院长、杜应超副院长、李任恺院士、施嘉儒副院长、唐传祥院士以及工程化学系2017级博士生田其立、2016级博士生梁一凡和2018级博士生顾绍弘。该研究得到了国家自然学科基金和挑战计划的支持。