導讀

據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該研究所的科學家們(men) 開發出一種所謂的“激光等離子體(ti) 加速器”，首次運行超過一天，並持續產(chan) 生電子束。

背景

如今，前沿物理學的進步離不開強大的粒子加速器。物理學家們(men) 通過高能粒子的碰撞，不斷探索宇宙的本質。簡單說，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器。它通過使帶電粒子在高真空場中受磁場力控製、電場力加速而達到高能量。

（圖片來源：CERN）

然而，普通的大型粒子加速器體(ti) 積龐大，造價(jia) 高昂，操作和應用起來難度都很大。為(wei) 了方便操作粒子加速器並拓展其應用，全世界的科學家都在研究更加緊湊、便攜、易用、穩定的粒子加速器。

在太赫茲(zi) 輻射下運行的兩(liang) 段式微型粒子加速器。（圖片來源：DESY, Gesine Born）

創新

近日，德國電子同步加速器研究所（DESY）的一組研究人員在通往未來粒子加速器的道路上達到了一個(ge) 重要的裏程碑。一種所謂的“激光等離子體(ti) 加速器”首次運行超過一天，並持續產(chan) 生電子束。由 DESY 和漢堡大學聯合開發和操作的 LUX 光束線達到了30小時的運行時間。

LUX 等離子體(ti) 單元（位於(yu) 白色裝片的中心），就是電子被加速的地方，隻有幾毫米長。（圖片來源：漢堡大學，Niels Delbos）

團隊領頭人、DESY 的 Andreas R. Maier 表示：“這使我們(men) 離這種創新型粒子加速器技術的穩定運行又靠近了一大步。”科學家們(men) 在《Physical Review X》雜誌上報道了他們(men) 的紀錄。DESY 加速器部門的 Wim Leemans 補充道：“讓激光等離子體(ti) 加速器從(cong) 實驗室走向實際應用的時機已經成熟。”

技術

科學家們(men) 希望，激光等離子體(ti) 加速器技術通往新一代強大且緊湊的粒子加速器，為(wei) 廣泛的應用提供獨特的性能。在這項技術中，激光或者高能粒子束在毛細管內(nei) 創造出等離子體(ti) 波。等離子體(ti) 是一種氣體(ti) ，其中的氣體(ti) 分子被剝奪了它們(men) 的電子。LUX 使用氫氣作為(wei) 氣體(ti) 。

LUX 中的等離子體(ti) 波的精確模擬。（圖片來源：漢堡大學、Laurids Jeppe）

在 DESY、漢堡大學、馬克斯·普朗克學會(hui) 的聯合創辦的自由電子激光科學中心（CFEL）工作的 Maier 表示：“激光脈衝(chong) 以窄圓盤的形式穿過氣體(ti) ，剝奪了氫分子的電子，像除雪車一樣把它們(men) 掃到一邊。脈衝(chong) 尾流中的電子被前麵帶正電荷的等離子體(ti) 波加速，如同衝(chong) 浪者在船尾乘浪。”

下圖所示：在激光等離子體(ti) 加速中，一束強烈的激光脈衝(chong) （紅色）通過剝奪氣體(ti) 分子的電子，在氫氣中生成等離子體(ti) 波（藍色）。電子（紅色）像衝(chong) 浪者在船的尾跡中航行。這樣以使得它們(men) 以極快的速度達到高能量。目前，LUX 設施在30小時左右的時間內(nei) ，釋放了十萬(wan) 條這樣的粒子束。

（圖片來源： DESY, Science Communication Lab）

這個(ge) 現象使得激光等離子體(ti) 加速器達到比如今最強大的機器高達千倍的加速強度。等離子體(ti) 加速器為(wei) 廣泛的應用（從(cong) 基礎研究到醫學）帶來了更加緊湊和強大的係統。在這些裝置投入實際應用之前，仍有許多技術挑戰需要克服。Maier 解釋道：“現在，我們(men) 能夠長時間操作我們(men) 的光束線，從(cong) 而更好地應對這些挑戰。”

在破紀錄的不間斷運行中，物理學家們(men) 加速了逾十萬(wan) 條電子束，每秒鍾一條。有了這個(ge) 龐大的數據集，加速器、激光和電子束的特性可以得到更精準的關(guan) 聯和分析。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，舉(ju) 例來說，這樣我們(men) 就可以精確地知道我們(men) 需要從(cong) 那裏開始製造一個(ge) 更好的粒子束。這個(ge) 方案為(wei) 主動穩定粒子束奠定了基礎，例如部署在全世界每個(ge) 高性能加速器上。”

據 Maier 稱，成功的關(guan) 鍵在於(yu) 結合兩(liang) 個(ge) 領域（等離子體(ti) 加速以及如何穩定運行加速器）的專(zhuan) 業(ye) 知識。Maier 強調：“DESY 二者兼具，這方麵在全世界都是無與(yu) 倫(lun) 比的。”根據他的說法，許多因素都對加速器的長期穩定運行造成影響，從(cong) 真空技術和激光技術到全麵且複雜的控製係統。Maier 報道稱：“原則上來說，係統可以持續運行更長的時間，但是我們(men) 在30小時後終止了它。從(cong) 那以後，我們(men) 又重複了三次這樣的運行。”

Leemans 總結道：“這項研究演示了激光等離子體(ti) 加速器可以生成可重複、可控製的輸出。這為(wei) 進一步開發這項技術，從(cong) 而為(wei) 在 DESY 及其他地方打造未來基於(yu) 加速器的光源，提供了堅實的基礎。”

關(guan) 鍵詞

加速器、激光、等離子體(ti)

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