導(dǎo)讀

據(jù)德國(guó)電子同步加速器研究所（DESY）官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該研究所的科學(xué)家們開發(fā)出一種所謂的“激光等離子體加速器”，首次運(yùn)行超過(guò)一天，并持續(xù)產(chǎn)生電子束。

背景

如今，前沿物理學(xué)的進(jìn)步離不開強(qiáng)大的粒子加速器。物理學(xué)家們通過(guò)高能粒子的碰撞，不斷探索宇宙的本質(zhì)。簡(jiǎn)單說(shuō)，粒子加速器就是一種能將基本粒子加速到非常高能量的機(jī)器。它通過(guò)使帶電粒子在高真空?qǐng)鲋惺艽艌?chǎng)力控制、電場(chǎng)力加速而達(dá)到高能量。

（圖片來(lái)源：CERN）

然而，普通的大型粒子加速器體積龐大，造價(jià)高昂，操作和應(yīng)用起來(lái)難度都很大。為了方便操作粒子加速器并拓展其應(yīng)用，全世界的科學(xué)家都在研究更加緊湊、便攜、易用、穩(wěn)定的粒子加速器。

在太赫茲輻射下運(yùn)行的兩段式微型粒子加速器。（圖片來(lái)源：DESY, Gesine Born）

創(chuàng)新

近日，德國(guó)電子同步加速器研究所（DESY）的一組研究人員在通往未來(lái)粒子加速器的道路上達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑。一種所謂的“激光等離子體加速器”首次運(yùn)行超過(guò)一天，并持續(xù)產(chǎn)生電子束。由 DESY 和漢堡大學(xué)聯(lián)合開發(fā)和操作的 LUX 光束線達(dá)到了30小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

LUX 等離子體單元（位于白色裝片的中心），就是電子被加速的地方，只有幾毫米長(zhǎng)。（圖片來(lái)源：漢堡大學(xué)，Niels Delbos）

團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人、DESY 的 Andreas R. Maier 表示：“這使我們離這種創(chuàng)新型粒子加速器技術(shù)的穩(wěn)定運(yùn)行又靠近了一大步?！笨茖W(xué)家們?cè)凇禤hysical Review X》雜志上報(bào)道了他們的紀(jì)錄。DESY 加速器部門的 Wim Leemans 補(bǔ)充道：“讓激光等離子體加速器從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟?！?/p>

技術(shù)

科學(xué)家們希望，激光等離子體加速器技術(shù)通往新一代強(qiáng)大且緊湊的粒子加速器，為廣泛的應(yīng)用提供獨(dú)特的性能。在這項(xiàng)技術(shù)中，激光或者高能粒子束在毛細(xì)管內(nèi)創(chuàng)造出等離子體波。等離子體是一種氣體，其中的氣體分子被剝奪了它們的電子。LUX 使用氫氣作為氣體。

LUX 中的等離子體波的精確模擬。（圖片來(lái)源：漢堡大學(xué)、Laurids Jeppe）

在 DESY、漢堡大學(xué)、馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)的聯(lián)合創(chuàng)辦的自由電子激光科學(xué)中心（CFEL）工作的 Maier 表示：“激光脈沖以窄圓盤的形式穿過(guò)氣體，剝奪了氫分子的電子，像除雪車一樣把它們掃到一邊。脈沖尾流中的電子被前面帶正電荷的等離子體波加速，如同沖浪者在船尾乘浪。”

下圖所示：在激光等離子體加速中，一束強(qiáng)烈的激光脈沖（紅色）通過(guò)剝奪氣體分子的電子，在氫氣中生成等離子體波（藍(lán)色）。電子（紅色）像沖浪者在船的尾跡中航行。這樣以使得它們以極快的速度達(dá)到高能量。目前，LUX 設(shè)施在30小時(shí)左右的時(shí)間內(nèi)，釋放了十萬(wàn)條這樣的粒子束。

（圖片來(lái)源： DESY, Science Communication Lab）

這個(gè)現(xiàn)象使得激光等離子體加速器達(dá)到比如今最強(qiáng)大的機(jī)器高達(dá)千倍的加速?gòu)?qiáng)度。等離子體加速器為廣泛的應(yīng)用（從基礎(chǔ)研究到醫(yī)學(xué)）帶來(lái)了更加緊湊和強(qiáng)大的系統(tǒng)。在這些裝置投入實(shí)際應(yīng)用之前，仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服。Maier 解釋道：“現(xiàn)在，我們能夠長(zhǎng)時(shí)間操作我們的光束線，從而更好地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。”

在破紀(jì)錄的不間斷運(yùn)行中，物理學(xué)家們加速了逾十萬(wàn)條電子束，每秒鐘一條。有了這個(gè)龐大的數(shù)據(jù)集，加速器、激光和電子束的特性可以得到更精準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)和分析。Maier 表示：“電子束中不受歡迎的變化可以被追溯到激光中的特定點(diǎn)，舉例來(lái)說(shuō)，這樣我們就可以精確地知道我們需要從那里開始制造一個(gè)更好的粒子束。這個(gè)方案為主動(dòng)穩(wěn)定粒子束奠定了基礎(chǔ)，例如部署在全世界每個(gè)高性能加速器上。”

據(jù) Maier 稱，成功的關(guān)鍵在于結(jié)合兩個(gè)領(lǐng)域（等離子體加速以及如何穩(wěn)定運(yùn)行加速器）的專業(yè)知識(shí)。Maier 強(qiáng)調(diào)：“DESY 二者兼具，這方面在全世界都是無(wú)與倫比的?！备鶕?jù)他的說(shuō)法，許多因素都對(duì)加速器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，從真空技術(shù)和激光技術(shù)到全面且復(fù)雜的控制系統(tǒng)。Maier 報(bào)道稱：“原則上來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可以持續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間，但是我們?cè)?0小時(shí)后終止了它。從那以后，我們又重復(fù)了三次這樣的運(yùn)行?！?/p>

Leemans 總結(jié)道：“這項(xiàng)研究演示了激光等離子體加速器可以生成可重復(fù)、可控制的輸出。這為進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，從而為在 DESY 及其他地方打造未來(lái)基于加速器的光源，提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/p>

關(guān)鍵詞

加速器、激光、等離子體

參考資料

【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