日前，德國Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf研究所(HZDR)和慕尼黑大學(LMU)進行了兩項互補性實驗，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，點擊“閱讀原文”或聯(lián)系質(zhì)子中國小編(微信號：ProtonCN)獲取全文。
傳統(tǒng)粒子加速器，強無線電波被引導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)生電荷風險，從而損壞諧振器。這意味著為了使粒子達到更高的能量級，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，短而極其強大的激光閃光射入等離子體(一種由帶負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。
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，該團隊設計了一個復雜的實驗裝置，HZDR激光設施DRACO發(fā)出的強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入下一段，金屬箔反射激光閃光。
在下一段中，進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。
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)可能的應用領域：可能成為所謂的自由電子激光器的基礎。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。(質(zhì)子中國 編譯報道)
信息來源：HZDR官網(wǎng)、Physics Word、SscienceDaily、PHYSORG
