未來加速器——光纖雷射器陣列驅動粒子加速器

2021-01-21 OFweek維科網

　　系統設計

　　2011年，ICFA-ICUIL(未來加速器國際委員會-超強雷射國際委員會)特別小組制定了10GeV加速器的目標參數：單脈衝能量32J，重複頻率13kHz，峰值功率240TW。理想的總效率達到50%，雷射-電子束能量轉換效率為20%。一個1TeV的對撞機需要100個這樣的加速器。每個加速器由1000~10000個ICAN光纖雷射器陣列模塊構成。關鍵問題是：這種方案從技術上和工程上是否可行，花費是否合理。

　　光纖的優點有助於解決大規模陣列面臨的的工程問題。在最末級放大到高能量之前，脈衝可以在光纖內用光通信的相關技術進行放大，光纖放大是模塊化的集成元件，能夠簡化系統。在最末級放大之前，其脈衝能量已經大於當今的技術所能獲得的能量，在末級放大階段，系統的設計需要考慮到造價、穩定性、壽命等因素。

　　為加速所製造的單級雷射器的造價需要正確評估。大體積雷射二極體泵浦造價為$5/W，因此，對於10J-10kHz級放大器系統，雷射二極體造價大約為一百到二百萬美元。主要花費是放大器部分，因為必須製造大體積的相關光學元件；種子雷射和分束器、耦合器單元不是大體積元件。如果每個放大器產生1mJ、10kHz級的輸出脈衝，那麼就需要10000個放大器。因此，假設有一千萬美元的預算，那麼每個放大器的造價必須低於1000美元，這裡面包括了光纖、隔離器、相位調製器、耦合器等各個元件的造價。如此低的造價是一個很大的挑戰，需要基於陣列的元件製造技術的發展。有效的工業化是十分必要的。

　　直接產生10J級脈衝需要數量很大的光纖放大器陣列。有望有一種代替選擇，即從單通道輸出多脈衝進行時間結合。德國Jena大學的研究人員提出了一種「堆棧存儲」技術，即脈衝堆棧到一個增強腔內並存儲，在低重頻下獲得高的脈衝能量每個增強腔將脈衝能量放大1000倍左右，這樣可以大量減少通道數目，降低通道造價。但是這樣做會使系統複雜性增加，所以在製造光纖放大器陣列的複雜程度與增強腔體光學元件複雜程度之間應該有一個權衡。美國密西根大學的科學家們提出一種使用非共線二次諧波的時間結合技術。此項技術在ICAN項目中也被開發。

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