日前，德國Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf研究所(HZDR)和慕尼黑大學(xué)(LMU)進(jìn)行了兩項互補(bǔ)性實驗，首次結(jié)合兩種不同的等離子體技術(shù)，構(gòu)建新型混合加速器。原文發(fā)表于雜志Nature Communications。

實驗背景

傳統(tǒng)粒子加速器，強(qiáng)無線電波被引導(dǎo)到稱為諧振器的特殊形狀的金屬管中。要加速的粒子，通常是電子，可以像沖浪者駕馭海浪一樣駕馭這些無線電波。但該技術(shù)的潛力有限：將過多的無線電波功率饋入諧振器會產(chǎn)生電荷風(fēng)險，從而損壞諧振器。這意味著為了使粒子達(dá)到更高的能量級，許多諧振器必須串聯(lián)連接，使得目前的加速器在許多情況下長達(dá)數(shù)公里。

因此專家們急切研究替代方案：等離子體加速。原則上，短而極其強(qiáng)大的激光閃光射入等離子體(一種由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成的電離狀態(tài))。在這種等離子體中，激光脈沖會產(chǎn)生強(qiáng)大的交變電場，類似于船的尾流，可以在很短的距離內(nèi)極大地加速電子。從理論上講，這意味著設(shè)施可以建造得更加緊湊，將目前一百米長的加速器縮小到幾米。

但是還有另一種等離子體加速，其中等離子體由接近光速的電子束驅(qū)動，而不是由強(qiáng)大的激光閃光驅(qū)動。與激光驅(qū)動的等離子體加速相比，這種方法有兩個優(yōu)點：第一，原則上，該方法可實現(xiàn)更高的粒子能量;第二，加速的電子束更容易控制。目前的缺點是：依靠大型傳統(tǒng)加速器來產(chǎn)生驅(qū)動等離子體所需的電子束。

實驗設(shè)置

研究人員的想法是用激光加速電子束驅(qū)動的毫米級等離子體加速器，為了測試這個概念，該團(tuán)隊設(shè)計了一個復(fù)雜的實驗裝置，HZDR激光設(shè)施DRACO發(fā)出的強(qiáng)光擊中氦氣和氮氣的氣體射流，通過等離子體波產(chǎn)生成束的快速電子束。該電子束穿過金屬箔進(jìn)入下一段，金屬箔反射激光閃光。

在下一段中，進(jìn)入的電子束遇到氫氣和氦氣的混合物，它可以在其中產(chǎn)生新的第二種等離子體波，在僅幾毫米的跨度內(nèi)使其他電子進(jìn)入渦輪模式——發(fā)射出高能粒子束。在這個過程中，研究人員使用一個額外的、更弱的激光脈沖預(yù)電離等離子體，使得驅(qū)動光束的等離子體加速更加有效。

圖1. 實驗原理圖概述。

實驗結(jié)果

混合加速器測量不到1 cm，光束驅(qū)動加速器部分僅使用1 mm就可使電子接近光速。該過程的真實模擬顯示該過程中加速電壓有顯著的梯度，與傳統(tǒng)加速器相比增加了一千多倍。研究人員同時在慕尼黑大學(xué)ATLAS激光器上以類似的形式實施了這一概念。然而，在這項新技術(shù)應(yīng)用之前，仍有許多困難需要克服。

圖2. 激光驅(qū)動加速度(左側(cè))和隨后的電子驅(qū)動加速度(右側(cè))的數(shù)值渲染，共同形成了混合等離子體加速器。

研究人員解釋該技術(shù)可能的應(yīng)用領(lǐng)域：可能成為所謂的自由電子激光器的基礎(chǔ)。到目前為止，X射線激光器需要使用時間長且昂貴的傳統(tǒng)加速器。新的等離子技術(shù)可以使傳統(tǒng)加速器更加緊湊和更具成本效益。