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一种体积小、成本低、性能高的新一代粒子加速器

粒子加速器是利用电场来推动带电粒子使之获得高能量。我们生活中常见的粒子加速器如用于电视的阴极射线管及X光管等设施。

为了更好地探索大自然,科学家需要建立强有力的粒子加速器,以便将带电粒子加速到太电子伏特(TeV,万亿电子伏特)。但使用当今技术,做到这一点需要非常庞大且相当昂贵的机器。因此,为缩小此类机器的尺寸并降低成本,必须提高粒子的加速度,使粒子在尽可能小距离的范围内获得最快的加速。

一种新一代的粒子加速技术——等离子体加速有望在这一领域“大显身手”。等离子加速是一项创新技术,它催生了新一代的粒子加速器,结构非常紧凑,成本低廉,用途极为广泛,将可使加速电子可用于工业、科学和医学的各个不同领域。

等离子体加速(Plasma acceleration),是一种利用与电子等离子体波或其他高梯度等离子体结构,例如冲击场和鞘层场相关的电场来加速例如电子、正电子和离子的带电粒子的技术。等离子体加速结构使用超短激光脉冲或与等离子体参数匹配的高能粒子束创建。这些技术提供了一种构建比传统设备小得多的高性能粒子加速器的方法。

一个国际研究团队现在在这种等离子体加速方法的进一步发展方面取得了重大进展。通过在德国亥姆霍兹联合会和慕尼黑路德维希-马克西米利安斯大学(LMU)进行的两项互补研究实验,该研究团队得以首次结合了两种不同的等离子技术,并构建了新型的混合型等离子体加速器。

在传统的粒子加速器中,强无线电波被引导到称为谐振器的特殊形状的金属管中。要加速的粒子(通常是电子)可以像冲浪者骑着海浪一样骑过这些无线电波。但是该技术的潜力是有限的:将过多的无线电波功率馈入谐振器会产生电荷损坏器件的风险。这意味着,为了将粒子带入高能级,必须将许多谐振器串联连接,这使得当今的加速器在许多情况下都长达数公里。

所以科学家们急切地在寻求粒子加速的替代方案——等离子加速。原则上,短而强大的激光闪光会发射到等离子体中,等离子体是由带负电的电子和带正电的原子核组成的物质的离子化状态。在这种等离子体中,激光脉冲会产生很强的交变电场,类似于轮船的尾波,它可以在很短的距离内极大地加速电子。从理论上讲,这意味着设施可以建造得更紧凑,将今天长一百米的加速器缩小到几米。研究人员解释说:“微型化是使这一概念如此吸引人的原因。” “我们希望,它甚至可以使小型的大学实验室将来负担得起强大的加速器。”

在激光等离子体加速中,电离气体中的强激光脉冲(红色)驱动由电子(白色)组成的气泡状等离子体波,因此在最短距离内可被加速为高能量。

一种体积小、成本低、性能高的新一代粒子加速器

激光等离子体加速

等离子体加速还有另一种形式,其中等离子体由近光速电子束驱动,而不是由强大的激光驱动。这种方法相对于激光驱动的等离子体加速具有两个优点:原则上,应该有可能获得更高的粒子能量,并且加速的电子束应更易于控制。问题是目前,依靠大型常规加速器来产生驱动等离子体所需的电子束。例如,在汉堡的亥姆霍兹协联合会的德国电子同步辐射加速器(DESY))所进行的此类实验的FLASH长100米。

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200 MeV加速器

加速发生在一个只有几毫米长的微小通道中,该通道充满了称为等离子体的电离气体。强烈的激光脉冲在通道内产生波,该波可以捕获并加速等离子体中的电子。研究人员解释说:“像冲浪一样,电子被等离子体波带走,从而将它们加速为高能。”“使用这种技术,等离子加速器能够实现比当今使用的最强大的机器高出一千倍的加速。”激光驱动的加速度(左侧)和随后的电子驱动的加速度(右侧)的数值绘制,一起形成了混合等离子体加速器。

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高能组合

该研究新项目的中心课题是,“是否可以制造出更紧凑的加速器来驱动等离子体波,” “我们的想法是用激光驱动的等离子体加速器代替这种传统设备。”为测试这一概念,该团队设计了一个复杂的实验装置,其中亥姆霍兹协联合会的激光设备DRACO发出的强光闪光击中了氦气和氮气流,并通过等离子波产生了束状的快速电子束。该电子束穿过金属箔进入下一个区段,该箔反射回激光闪光。

一种体积小、成本低、性能高的新一代粒子加速器

在下一个分段中,入射的电子束遇到另一种气体,这是氢和氦的混合物,在其中它可以产生新的第二等离子波,从而在几毫米的跨度内将其他电子设置为涡轮模式。发射高能粒子束。在此过程中,研究人员用另外一个较弱的激光脉冲将等离子体预电离。这使得驱动光束的等离子体加速更加有效。

涡轮增压:几乎在1毫米内达到光速

研究人员解释说,结果:“我们的混合式加速器的尺寸不到一厘米,” “光束驱动的加速器部分仅用其一毫米就能使电子接近光速。”实际的过程模拟显示了过程中加速电压的显着梯度,与常规加速器相比,增加了千倍以上。为了强调研究结果的重要性,研究人员在慕尼黑路德维希-马克西米利安斯大学的ATLAS激光器上以类似的形式实施了这一概念。

但是,在将该新技术用于应用程序之前,专家们仍然需要克服许多挑战。无论如何,专家们已经考虑到了可能的应用领域,目前没有合适的粒子加速器的研究小组能使用并进一步开发这项技术,”研究人员希望,“我们的混合加速器可能成为所谓的自由电子激光器的基础。”

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自由电子激光器

自由电子激光器(free-electronlaser,缩写:FEL)被认为是极高质量的辐射源,尤其是X射线,用于纳米材料、生物分子、或地质样品的超精密分析。直到现在,这些X射线激光器都需要相当长而昂贵的常规加速器。新的等离子技术可以使其更紧凑、更具成本效益,而且对于普通的大学实验室来说都可以承受。

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