一種新型的粒子加速器可在一毫米內幾乎達到光速

今天世界上的粒子加速器無一例外是龐大的項目,可能有數公里長,因此等離子體加速器被認為是未來的一項有前途的技術,這是因為等離子體加速器比今天的加速器要緊湊得多。一個國際研究小組現在已經在進一步發展這種方法方面取得了重大進展。

Hybrid-Plasma-Accelerator-Numerical-Rendering-scaled.jpg

通過在亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心(HZDR)和慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學(LMU)進行的兩個互補實驗,該研究小組首次將兩種不同的等離子體技術結合起來,建立了一個新型的混合加速器。專家們在《自然-通訊》雜誌上描述說,這一概念可以推動加速器的發展,從長遠來看,它將成為研究和醫學中高亮度X光源的基礎。

在傳統的粒子加速器中,強大的無線電波被引導到稱為共振器的特殊形狀的金屬管中。被加速的粒子,通常是電子,可以像衝浪者乘坐海浪一樣乘坐這些無線電波。但是該技術的潛力是有限的。向諧振器輸入過多的無線電波功率會產生電荷的風險,從而損壞部件。這意味着,為了使粒子達到高能量水平,許多諧振器必須串聯起來,這使得今天的加速器在許多情況下長達數公里。

200-MeV-Accelerator-scaled.jpg

200兆伏加速器

這就是為什麼專家們正在急切地研究一種替代方法:等離子體加速。原則上說,短而極強的激光閃電射入等離子體–一種由帶負電的電子和帶正電的原子核組成的物質電離狀態。在這種等離子體中,激光脈衝會產生一個強大的交變電場,類似於船舶的尾流,可以在很短的距離內極大地加速電子。從理論上講,這意味着設施可以建造得更加緊湊,將今天長達一百米的加速器縮小到只有幾米。HZDR輻射物理研究所的研究員Arie Irman解釋說:”這種小型化是這個概念的魅力所在。而且我們希望它將使小型大學實驗室在未來也能負擔得起強大的加速器”。

但是還有另一種等離子體加速的變體,即等離子體由接近光速的電子束驅動,而不是由強大的激光閃耀驅動。這種方法比激光驅動的等離子體加速有兩個優勢。原則上,它應該可以實現更高的粒子能量,而且加速的電子束應該更容易控制。缺點是,目前我們依靠大型的傳統加速器來產生驅動等離子體所需的電子束,例如在漢堡DESY進行此類實驗的FLASH,其規模足有一百米長。

這正是這個新項目的意義所在。蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學的托馬斯-海涅曼(Thomas Heinemann)說:”我們問自己,我們是否可以建造一個更緊湊的加速器來驅動等離子體波?最新得想法是用激光驅動的等離子體加速器取代這種傳統設施”。為了測試這個概念,該團隊設計了一個複雜的實驗裝置,其中來自HZDR的激光設施DRACO的強光閃爍擊中了氦和氮的氣體噴射,通過等離子體波產生了一束快速電子束。這個電子束通過一個金屬箔進入下一個環節,金屬箔將激光閃光反射回來。

在這下一段中,進入的電子束遇到了另一種氣體,這次是氫和氦的混合物,它可以在其中產生新的、第二種等離子體波,使其他電子在短短几毫米的範圍內進入渦輪模式–射出高能粒子束。”在這個過程中,我們用一個額外的、較弱的激光脈衝對等離子體進行預電離,”Heinemann解釋說。”這使得用驅動光束對等離子體進行加速要有效得多”。

結果是。”我們的混合加速器的尺寸不到一厘米,光束驅動的加速器部分只用了一毫米,就把電子帶到了幾乎是光速的狀態。” 對這一過程的現實模擬顯示,在這一過程中,加速電壓有一個顯著的梯度,與傳統的加速器相比,對應於增加了一千多倍。為了強調他們的發現的意義,研究人員在慕尼黑大學的ATLAS激光器上以類似的形式實現了這一概念。然而,在這項新技術能夠被應用之前,專家們仍有許多挑戰需要克服。

專家們已經有了可能的應用領域。這種自由電子激光器被認為是極高質量的輻射源,特別是X射線,用於對納米材料、生物大分子或地質樣品進行超精確分析。到目前為止,這些X射線激光器需要長而昂貴的傳統加速器。新的等離子體技術可以使它們更加緊湊和具有成本效益–也許對於普通的大學實驗室來說也能負擔得起。