导读

据德国电子同步加速器研究所（DESY）官网近日报道，该研究所的科学家们开发出一种所谓的“激光等离子体加速器”，首次运行超过一天，并持续产生电子束。

背景

如今，前沿物理学的进步离不开强大的粒子加速器。物理学家们通过高能粒子的碰撞，不断探索宇宙的本质。简单说，粒子加速器就是一种能将基本粒子加速到非常高能量的机器。它通过使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量。

（图片来源：CERN）

然而，普通的大型粒子加速器体积庞大，造价高昂，操作和应用起来难度都很大。为了方便操作粒子加速器并拓展其应用，全世界的科学家都在研究更加紧凑、便携、易用、稳定的粒子加速器。

在太赫兹辐射下运行的两段式微型粒子加速器。（图片来源：DESY, Gesine Born）

创新

近日，德国电子同步加速器研究所（DESY）的一组研究人员在通往未来粒子加速器的道路上达到了一个重要的里程碑。一种所谓的“激光等离子体加速器”首次运行超过一天，并持续产生电子束。由 DESY 和汉堡大学联合开发和操作的 LUX 光束线达到了30小时的运行时间。

LUX 等离子体单元（位于白色装片的中心），就是电子被加速的地方，只有几毫米长。（图片来源：汉堡大学，Niels Delbos）

团队领头人、DESY 的 Andreas R. Maier 表示：“这使我们离这种创新型粒子加速器技术的稳定运行又靠近了一大步。”科学家们在《Physical Review X》杂志上报道了他们的纪录。DESY 加速器部门的 Wim Leemans 补充道：“让激光等离子体加速器从实验室走向实际应用的时机已经成熟。”

技术

科学家们希望，激光等离子体加速器技术通往新一代强大且紧凑的粒子加速器，为广泛的应用提供独特的性能。在这项技术中，激光或者高能粒子束在毛细管内创造出等离子体波。等离子体是一种气体，其中的气体分子被剥夺了它们的电子。LUX 使用氢气作为气体。

LUX 中的等离子体波的精确模拟。（图片来源：汉堡大学、Laurids Jeppe）

在 DESY、汉堡大学、马克斯·普朗克学会的联合创办的自由电子激光科学中心（CFEL）工作的 Maier 表示：“激光脉冲以窄圆盘的形式穿过气体，剥夺了氢分子的电子，像除雪车一样把它们扫到一边。脉冲尾流中的电子被前面带正电荷的等离子体波加速，如同冲浪者在船尾乘浪。”

下图所示：在激光等离子体加速中，一束强烈的激光脉冲（红色）通过剥夺气体分子的电子，在氢气中生成等离子体波（蓝色）。电子（红色）像冲浪者在船的尾迹中航行。这样以使得它们以极快的速度达到高能量。目前，LUX 设施在30小时左右的时间内，释放了十万条这样的粒子束。

（图片来源： DESY, Science Communication Lab）

这个现象使得激光等离子体加速器达到比如今最强大的机器高达千倍的加速强度。等离子体加速器为广泛的应用（从基础研究到医学）带来了更加紧凑和强大的系统。在这些装置投入实际应用之前，仍有许多技术挑战需要克服。Maier 解释道：“现在，我们能够长时间操作我们的光束线，从而更好地应对这些挑战。”

在破纪录的不间断运行中，物理学家们加速了逾十万条电子束，每秒钟一条。有了这个庞大的数据集，加速器、激光和电子束的特性可以得到更精准的关联和分析。Maier 表示：“电子束中不受欢迎的变化可以被追溯到激光中的特定点，举例来说，这样我们就可以精确地知道我们需要从那里开始制造一个更好的粒子束。这个方案为主动稳定粒子束奠定了基础，例如部署在全世界每个高性能加速器上。”

据 Maier 称，成功的关键在于结合两个领域（等离子体加速以及如何稳定运行加速器）的专业知识。Maier 强调：“DESY 二者兼具，这方面在全世界都是无与伦比的。”根据他的说法，许多因素都对加速器的长期稳定运行造成影响，从真空技术和激光技术到全面且复杂的控制系统。Maier 报道称：“原则上来说，系统可以持续运行更长的时间，但是我们在30小时后终止了它。从那以后，我们又重复了三次这样的运行。”

Leemans 总结道：“这项研究演示了激光等离子体加速器可以生成可重复、可控制的输出。这为进一步开发这项技术，从而为在 DESY 及其他地方打造未来基于加速器的光源，提供了坚实的基础。”

关键词

加速器、激光、等离子体

参考资料

【1】Andreas R. Maier, Niels M. Delbos, Timo Eichner, Lars Hübner, Sren Jalas, Laurids Jeppe, Spencer W. Jolly, Manuel Kirchen, Vincent Leroux, Philipp Messner, Matthias Schnepp, Maximilian Trunk, Paul A. Walker, Christian Werle, Paul Winkler. Decoding Sources of Energy Variability in a Laser-Plasma Accelerator. Physical Review X, 2020; 10 (3) DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031039