世界紀錄:雷射等離子體加速器持續穩定運行超過一天!

2021-01-08 環球創新智慧

導讀

據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報導，該研究所的科學家們開發出一種所謂的「雷射等離子體加速器」，首次運行超過一天，並持續產生電子束。

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制、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積龐大，造價高昂，操作和應用起來難度都很大。為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。

在太赫茲輻射下運行的兩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重要的裡程碑。一種所謂的「雷射等離子體加速器」首次運行超過一天，並持續產生電子束。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 等離子體單元（位於白色裝片的中心），就是電子被加速的地方，只有幾毫米長。（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。」科學家們在《Physical Review X》雜誌上報導了他們的紀錄。DESY 加速器部門的 Wim Leemans 補充道：「讓雷射等離子體加速器從實驗室走向實際應用的時機已經成熟。」

技術

科學家們希望，雷射等離子體加速器技術通往新一代強大且緊湊的粒子加速器，為廣泛的應用提供獨特的性能。在這項技術中，雷射或者高能粒子束在毛細管內創造出等離子體波。等離子體是一種氣體，其中的氣體分子被剝奪了它們的電子。LUX 使用氫氣作為氣體。

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

在 DESY、漢堡大學、馬克斯·普朗克學會的聯合創辦的自由電子雷射科學中心（CFEL）工作的 Maier 表示：「雷射脈衝以窄圓盤的形式穿過氣體，剝奪了氫分子的電子，像除雪車一樣把它們掃到一邊。脈衝尾流中的電子被前面帶正電荷的等離子體波加速，如同衝浪者在船尾乘浪。」

下圖所示：在雷射等離子體加速中，一束強烈的雷射脈衝（紅色）通過剝奪氣體分子的電子，在氫氣中生成等離子體波（藍色）。電子（紅色）像衝浪者在船的尾跡中航行。這樣以使得它們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，釋放了十萬條這樣的粒子束。

（圖片來源： DESY, Science Communication Lab）

這個現象使得雷射等離子體加速器達到比如今最強大的機器高達千倍的加速強度。等離子體加速器為廣泛的應用（從基礎研究到醫學）帶來了更加緊湊和強大的系統。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，我們能夠長時間操作我們的光束線，從而更好地應對這些挑戰。」

在破紀錄的不間斷運行中，物理學家們加速了逾十萬條電子束，每秒鐘一條。有了這個龐大的數據集，加速器、雷射和電子束的特性可以得到更精準的關聯和分析。Maier 表示：「電子束中不受歡迎的變化可以被追溯到雷射中的特定點，舉例來說，這樣我們就可以精確地知道我們需要從那裡開始製造一個更好的粒子束。這個方案為主動穩定粒子束奠定了基礎，例如部署在全世界每個高性能加速器上。」

據 Maier 稱，成功的關鍵在於結合兩個領域（等離子體加速以及如何穩定運行加速器）的專業知識。Maier 強調：「DESY 二者兼具，這方面在全世界都是無與倫比的。」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，從真空技術和雷射技術到全面且複雜的控制系統。Maier 報導稱：「原則上來說，系統可以持續運行更長的時間，但是我們在30小時後終止了它。從那以後，我們又重複了三次這樣的運行。」

Leemans 總結道：「這項研究演示了雷射等離子體加速器可以生成可重複、可控制的輸出。這為進一步開發這項技術，從而為在 DESY 及其他地方打造未來基於加速器的光源，提供了堅實的基礎。」

關鍵詞

加速器、雷射、等離子體

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

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