टेराहर्ट्ज़ तरंगों के इलेक्ट्रॉन त्वरण पर अनुसंधान में प्रगति

हाल ही में, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज (सीएएस) के शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ ऑप्टिक्स एंड प्रिसिजन मशीनरी (एसआईपीएम) के ली रुक्सिन, तियान ये और सोंग लिवेई की टीम ने टेराहर्ट्ज़ तरंगों पर इलेक्ट्रॉन त्वरण के क्षेत्र में महत्वपूर्ण प्रगति की है। एसआईपीएम के अल्ट्रा-इंटेंस अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स लेजर एकीकृत प्रयोगात्मक उपकरण की नई पीढ़ी के आधार पर, टीम ने मिलिजूल-स्तर टेराहर्ट्ज सतह तरंगों को उत्पन्न करने के लिए रेशम वेवगाइड को चलाने के लिए अल्ट्रा-इंटेंस अल्ट्रा-शॉर्ट लेजर का उपयोग किया, और सतह तरंगों का उपयोग किया इलेक्ट्रॉन त्वरण, जिसने उच्च-ऊर्जा टेराहर्ट्ज़ तरंग उत्पादन की समस्याओं के साथ-साथ फ्री-स्पेस टेराहर्ट्ज़ वेव-टू-वेवगाइड ऊर्जा युग्मन की कम दक्षता को हल किया। अध्ययन टेराहर्ट्ज़ तरंग के उत्पादन, संचरण और युग्मन को वेवगाइड में एकीकृत करता है, और वेवगाइड में 5 मिमी की दूरी पर उच्चतम 1.1 MeV इलेक्ट्रॉन ऊर्जा लाभ और 210 MV/m औसत त्वरण ढाल का एहसास करता है, जो लगभग परिमाण का एक क्रम है। टेराहर्ट्ज़ तरंग त्वरण के लिए इलेक्ट्रॉन ऊर्जा लाभ के वर्तमान विश्व रिकॉर्ड की तुलना में और ऑल-ऑप्टिकल एकीकृत इलेक्ट्रॉन गैस पेडल के अनुसंधान के लिए एक नया मार्ग खोलता है।
लघु और एकीकृत इलेक्ट्रॉन गैस पेडल सीमांत विज्ञान और प्रौद्योगिकी में इसके अनुप्रयोग को बढ़ावा देगा। पिछले दशक में विकसित एक उभरती हुई त्वरण तकनीक के रूप में टेराहर्ट्ज़ तरंग-संचालित इलेक्ट्रॉन त्वरण का उपयोग, पारंपरिक आरएफ त्वरण की तुलना में उच्च त्वरण ग्रेडिएंट प्रदान कर सकता है, और लघु, कम लागत वाले त्वरण उपकरणों को साकार करने के विश्वसनीय तरीकों में से एक है, जो कि है गैस पैडल के उपयोग को छोटे पैमाने की प्रयोगशालाओं, अस्पतालों आदि सहित अधिक अनुप्रयोग परिदृश्यों में विस्तारित करने की उम्मीद है।
टेराहर्ट्ज़ इलेक्ट्रॉन त्वरण का वर्तमान विकास फ्री-स्पेस टेराहर्ट्ज़ स्रोत प्रौद्योगिकी पर आधारित है। टेराहर्ट्ज़ तरंगें उत्पन्न होती हैं, एकत्र की जाती हैं, प्रसारित की जाती हैं, ध्रुवीकरण में परिवर्तित की जाती हैं, और फिर इलेक्ट्रॉनों को तेज करने के लिए उपयोग की जाने वाली वेवगाइड संरचना पर केंद्रित की जाती हैं। प्रयोगात्मक रूप से, वेवगाइड के अंदर टेराहर्ट्ज़ त्वरण ढाल को अधिकतम करने के लिए, ऑप्टिकल पथ में बिखरने, प्रतिबिंब और मोड रूपांतरण से होने वाली ऊर्जा हानि की भरपाई के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करने के लिए एक टेराहर्ट्ज़ स्रोत की आवश्यकता होती है। सामान्य टेराहर्ट्ज़ स्रोत, जैसे कि ऑप्टिकल क्रिस्टल पर आधारित, आमतौर पर ऑप्टिकल तत्वों के माध्यम से टेराहर्ट्ज़ विकिरण के संग्रह और मार्गदर्शन और खंडित वेवप्लेट या चरण-स्थानांतरित प्लेटों के माध्यम से मोड रूपांतरण की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप अनिवार्य रूप से ऊर्जा हानि होती है। मुक्त स्थान में टेराहर्ट्ज़ विकिरण की तुलना में, एक माध्यम की सतह से जुड़ी ऑप्टिकल सतह तरंगें, जैसे सतह प्लास्मोन पोलारिटोन (एसपीपी), टेराहर्ट्ज़ मार्गदर्शन और मोड रूपांतरण के बारे में सोचने का एक बिल्कुल नया तरीका प्रदान करती हैं।
लघु लेजर त्वरित इलेक्ट्रॉन स्रोतों और विकिरण प्रकाश स्रोतों के क्षेत्र में टीम की दीर्घकालिक खोज से टेराहर्ट्ज़ सतह प्लास्मोन पोलारिटोन के लिए एक सुसंगत प्रवर्धन तंत्र की खोज हुई है, जो उच्च-शक्ति सतह प्लास्मोन पोलारिटोन सुसंगत विकिरण स्रोतों की प्राप्ति को सक्षम बनाता है। एक्सिसिमेट्रिक धात्विक बेलनाकार वेवगाइड पर टेराहर्ट्ज़ सतह आइसो-ध्रुवीकृत उत्तेजनाओं की सोमरफेल्ड तरंग संपत्ति के आधार पर, और कम-फैलाव मौलिक अनुप्रस्थ चुंबकीय (टीएम) मोड पर, टीम ने इस उच्च-शक्ति टेराहर्ट्ज़ सतह आइसो-ध्रुवीकृत उत्तेजनाओं को सीधे युग्मित किया त्वरित वेवगाइड, और 85 प्रतिशत युग्मन दक्षता हासिल की, जो इलेक्ट्रॉन बीम के साथ धात्विक बेलनाकार वेवगाइड को पंप करने वाले फेमटोसेकंड लेजर द्वारा उत्पन्न मिलीजूल-स्तर टेराहर्ट्ज ऊर्जा को प्रभावी ढंग से जोड़ सकती है, और अंततः इलेक्ट्रॉन की 5 मिमी लंबाई में उच्चतम 1.1 मेव ऊर्जा प्राप्त कर सकती है। लाभ और औसत त्वरण प्रवणता का 210 एमवी/एम, परिमाण के लगभग एक क्रम को बढ़ाने के लिए सर्वोत्तम परिणामों का वर्तमान अंतर्राष्ट्रीय टेराहर्ट्ज़ तरंग-संचालित इलेक्ट्रॉन ऊर्जा लाभ होगा।
भविष्य में, टीम टेराहर्ट्ज़ सतह तरंग मोड-संचालित इलेक्ट्रॉन त्वरण की इस नई योजना के आधार पर एकीकृत ऑल-ऑप्टिकल इलेक्ट्रॉन त्वरण तकनीक विकसित करेगी, और छोटे पैमाने पर विकिरण स्रोत और सामग्री का पता लगाने के क्षेत्र में इसके क्रॉस-अनुप्रयोगों का विस्तार करेगी। .
प्रासंगिक शोध परिणाम नेचर फोटोनिक्स में टेराहर्ट्ज़ सतह तरंगों द्वारा संचालित मेगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट इलेक्ट्रॉन त्वरण शीर्षक के तहत प्रकाशित किए गए थे। यह शोध शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ ऑप्टिकल मशीनरी, बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स और झांगजियांग प्रयोगशाला के सहयोग से किया गया था। अनुसंधान को चीन के राष्ट्रीय प्रमुख अनुसंधान और विकास कार्यक्रम, चीनी विज्ञान अकादमी (कक्षा बी) के रणनीतिक पायलट प्रोजेक्ट, शंघाई बेसिक रिसर्च स्पेशल जोन प्रोग्राम, चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन, यंग इनोवेटर्स एसोसिएशन द्वारा समर्थित किया गया था। चीनी विज्ञान अकादमी, और शंघाई विज्ञान और प्रौद्योगिकी प्रेरणा स्टार सेल कार्यक्रम।

चित्र 1. टेराहर्ट्ज़ सतह तरंग-चालित इलेक्ट्रॉन त्वरण प्रयोग का योजनाबद्ध आरेख।

चित्र 2: प्रयोगात्मक रूप से मापा गया अधिकतम इलेक्ट्रॉन ऊर्जा लाभ परिणाम

चित्र 3. मुक्त स्थान (ए) और धातु बेलनाकार वेवगाइड (बी) की टेराहर्ट्ज़-युग्मित स्थिति में त्वरित वेवगाइड (सी) के अंदर विद्युत क्षेत्र की ताकत की तुलना