激光—等離子體加速的想法，于上世紀(jì)70年代末，由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校物理學(xué)家Toshiki Tajima和加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)家John Dawson共同提出。從上世紀(jì)90年代開始，科學(xué)家一直嘗試在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證這一概念，但是受到激光器功率的限制，最大能量多年來一直徘徊在1 GeV左右。

　　近期，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Mike Downer教授的研究小組成功地在1英寸的距離內(nèi)將約5億個(gè)電子加速到2 GeV。研究結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》雜志（Nat. Commun. 4， 1988）上。

　　Downer說：“到目前為止，將電子加速到2 GeV這一級(jí)別的能量需要長(zhǎng)度超過2個(gè)足球場(chǎng)的傳統(tǒng)加速器，而我們實(shí)驗(yàn)中所用的設(shè)備尺寸縮減了近10，000倍。2GeV加速器產(chǎn)生的電子可以轉(zhuǎn)換成‘硬’X射線，亮度比肩大型裝置產(chǎn)生的X射線。對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)一步優(yōu)化后，我們甚至可以驅(qū)動(dòng)X射線自由電子激光器——目前可用的最亮X射線源。”

　　臺(tái)式X射線激光將為化學(xué)家和生物學(xué)家?guī)砭薮笞兏铮核麄兛梢允褂眠@種高亮度的X射線在原子精度和飛秒時(shí)間分辨率上研究物質(zhì)和生命的分子基礎(chǔ)，而無需使用大型的國(guó)家裝置。

　　Downer說：“我們能夠產(chǎn)生的這種X射線具有飛秒量級(jí)的脈寬，分子振動(dòng)和最快的化學(xué)反應(yīng)就發(fā)生在這個(gè)時(shí)間尺度上。例如，這種X射線具有足夠高的能力和亮度，使我們能夠看見活體樣本中單個(gè)蛋白質(zhì)分子的原子結(jié)構(gòu)。”

　　Downer和他的同事利用激光—等離子體加速產(chǎn)生能量高到足以產(chǎn)生X射線的電子；該方法使用超短超強(qiáng)激光脈沖轟擊氣體云團(tuán)，使其電離形成等離子體。Downer說：“該方法還能夠記錄自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)。首先，將電子從背景離子中分離出來，并創(chuàng)建巨大的內(nèi)部空間電荷場(chǎng)。接著，帶電粒子從等離子體中溢出，被空間電荷場(chǎng)俘獲，以接近光速的速度沿激光脈沖前進(jìn)方向移動(dòng)，并在空間電荷場(chǎng)中獲得加速。”

　　該研究小組在實(shí)驗(yàn)中使用了Texas拍瓦激光器，因而他們所使用的氣體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前期實(shí)驗(yàn)中的氣體密度。Downer說：“氣體密度越低，激光脈沖傳輸速度越快。但是，就前幾代激光器而言，如果氣體密度過低，就沒有足夠的電子注入到加速器中，因而什么也得不到。”

        Downer說：“現(xiàn)在，2GeV加速器的可操作行已經(jīng)得到了證實(shí)，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)將研發(fā)出10GeV加速器，可用于做生物學(xué)家和化學(xué)家所期望的X射線分析。我認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)10GeV電子產(chǎn)生無需重大突破。如果我們能夠保證未來幾年的研究經(jīng)費(fèi)到位的話，所有這一切都可以發(fā)生?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)開始銷售商用拍瓦激光器。只要我們能夠做的更好，生產(chǎn)商就將可以開發(fā)出10GeV加速器模塊。然后，化學(xué)家和生物學(xué)家等終端用戶就可以獲得更多的創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)。我還相信，未來十年內(nèi)就可以研發(fā)出類似規(guī)模（幾厘米長(zhǎng)）的20GeV加速器。”