然而，最近，馬里蘭大學(xué)的研究人員使用強(qiáng)激光和等離子體在縮小加速器尺寸方面取得了重大進(jìn)展。

1980 年代和 90 年代強(qiáng)超短脈沖激光器(2018 年諾貝爾物理學(xué)獎的主題)的出現(xiàn)導(dǎo)致電磁 (EM) 場比用于加速帶電粒子的最先進(jìn)技術(shù)強(qiáng)數(shù)十萬倍常規(guī)加速器。如果不是由于超強(qiáng)電磁場造成的結(jié)構(gòu)損壞，激光驅(qū)動的加速器可能會縮短數(shù)十萬倍。正如 Tajima 和 Dawson 在 1979 年意識到的那樣，這正是等離子體發(fā)揮作用的地方，開創(chuàng)了基于等離子體的加速領(lǐng)域。等離子體是堅(jiān)不可摧的，并且它們添加了自己的巨大場來加速電子。但是傳統(tǒng)的加速器有一個長金屬管，一個“波導(dǎo)”，用來限制電磁波并保持加速過程的強(qiáng)度。

沒有和有超強(qiáng)激光脈沖注入和引導(dǎo)到 20 cm 長波導(dǎo)中的靶室照片。激光引導(dǎo)導(dǎo)致多 GeV 電子加速，在等離子體波導(dǎo)的出口處出現(xiàn)強(qiáng)烈的電子爆發(fā)(右側(cè))。

馬里蘭州的研究人員展示了一種功能等效的約束金屬管波導(dǎo)，其形式為等離子體波導(dǎo)，由一兩個額外的激光脈沖在氫氣中產(chǎn)生。與幾厘米寬的金屬管相比，獨(dú)立式激光產(chǎn)生等離子體波導(dǎo)可以將注入的超強(qiáng)激光脈沖限制在比人的頭發(fā)還細(xì)的寬度上，并保持在米級距離內(nèi)(圖 1) )。盡管等離子體在膨脹和重組之前只持續(xù)了幾納秒，但這對于以接近光速運(yùn)動的加速器脈沖來說已經(jīng)足夠了。

馬里蘭大學(xué)與科羅拉多州立大學(xué)合作，展示了來自 Aleph 激光器的高達(dá) 300 太瓦激光脈沖的等離子體波導(dǎo)(美國峰值總功率使用量小于 2 太瓦)，以及電子在一段距離內(nèi)的加速高達(dá) 5 GeV僅 20 厘米。這使得每米長度的加速度比傳統(tǒng)加速器大數(shù)千倍。這種巨大的加速度梯度是由等離子體對沿波導(dǎo)傳播的強(qiáng)脈沖的響應(yīng)產(chǎn)生的;這種“等離子波”響應(yīng)可以捕獲并加速在波上“沖浪”的電子束。這些由能源部和國家科學(xué)基金會資助的實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是演示 10 GeV 激光驅(qū)動加速階段，

這些結(jié)果的一項(xiàng)重要新進(jìn)展是等離子體密度保持在非常低的水平，同時仍然保持對脈沖的有效波導(dǎo)限制(制造高密度等離子體波導(dǎo)要容易得多)。這確保了波導(dǎo)中強(qiáng)脈沖的速度總是非常接近真空中的光速。值得注意的是，在更高的等離子體密度下，加速電子可以趕上并超過激光脈沖，在此過程中減速!

除了基礎(chǔ)物理研究，加速器還廣泛用于醫(yī)學(xué)同位素生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)治療等應(yīng)用。此外，由于帶電粒子加速，它們還會發(fā)射光子束，用于更多應(yīng)用。