激光等離子體加速電子束在主動射頻腔中的能量壓縮：脈沖起始處的高能電子被減速，而電子束末端的低能電子被加速。圖片：德國電子同步加速器(DESY)科學傳播實驗室
近日，德國電子同步加速器(DESY)LUX實驗團隊在激光等離子體加速領域取得重大進展，通過創新校正系統顯著提升電子束質量，為該技術向實際應用邁進奠定基礎。相關研究成果發表于《自然》雜志。
激光等離子體加速技術憑借其緊湊性優勢，被視為傳統電子加速器的顛覆性替代方案。傳統加速器依賴串聯諧振腔傳遞能量，導致設備龐大且成本高昂。而激光等離子體加速通過短強激光脈沖在氫氣毛細管中激發等離子體，產生類似船尾波的尾流效應，在毫米級范圍內實現電子束高速加速。然而，現有技術面臨電子束均勻性不足、能量分布不均等挑戰，限制了其工業應用潛力。
針對上述問題，DESY團隊開發兩階段校正方法：首先利用四偏轉磁鐵組成減速彎道，通過時間拉伸與能量排序優化電子束結構;隨后將拉伸后的電子束導入諧振器，通過射頻頻率匹配實現能量分布壓縮。研究顯示，該方法使能量分散降低18倍，中心能量波動減少72倍，性能指標與傳統加速器相當。
“該項目實現了理論與實驗的無縫銜接，”DESY加速器部門主任Wim Leemans指出，“從理論提出到首次實踐僅用時極短。”項目團隊依托現有設備庫存，通過精密同步極快流程完成校正平臺搭建，首日測試即顯現效果，數日內實現系統穩定運行。
此項突破標志著等離子體加速與現代加速器技術的成功協同，驗證了德國電子同步加速器研究所技術團隊的協作效能。加速器部門前主任Reinhard Brinkmann強調：“這些成果將增強行業對激光等離子體加速技術的信心。”首席科學家Andreas Maier補充道，未來需進一步優化激光器性能并實現連續運行。
研究團隊已規劃具體應用路徑：該技術可用于生成并加速電子束，注入X射線源(如PETRA III及繼任者PETRA IV)，替代傳統大型耗能加速器。Wim Leemans表示：“我們已證明等離子體加速器適用于此類應用，后續將聚焦激光器改進與連續運行實現。”
此次技術突破為激光等離子體加速的商業化應用開辟新可能，有望推動基礎研究、工業及健康領域創新，為全球能源與材料科學提供高效解決方案。
