热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

新型电子加速器结合了激光和等离子体醒目技术

2021-06-28 14:36     来源:Physics World     电子加速器 粒子加速器

工作原理:由激光脉冲加速的电子(左)被用来驱动第二级粒子加速器(右)。(来源: Thomas Heinemann/Strathclyde and Alberto Martinez de la Ossa/DESY)

激光激波加速和等离子体激波加速有可能提高粒子加速器的能量,但实施这些技术具有挑战性。现在,一个国际团队使用一个 "激光等离子体激波加速器 "对电子进行了加速,它结合了两种技术的优点。这样的加速器可以增加世界各地的高能粒子物理设施的数量,或者被用来创造被广泛的科学学科使用的自由电子激光器。

粒子加速器对物理学中一些最重要的发现负有责任,但以越来越高的能量碰撞粒子的需要正在将现有技术推向极限。传统的加速器使用射频电场,但通过电弧放电损坏部件的风险,甚至是因过热而简单地融化部件的风险,限制了人们可以应用的最大磁场。因此,加速器设施正变得庞大、昂贵,而且绝大多数物理学家都无法使用。事实上,全世界只有少数设施--如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机--能够进行尖端的粒子物理研究。

瓦克菲尔德加速器是一种新颖的替代方法,它利用能量脉冲在静止的等离子体中产生电场波--就像一艘船在水中行驶时留下的尾流。如果一束尾随的粒子时间安排得当,它就能在这个波浪上冲浪,并且比传统加速器的加速速度要快得多。然而,问题在于创造这种能量的脉冲。

脉冲问题

一种选择是使用激光,但激光激波加速器有严重的限制。"德国亥姆霍兹-德累斯顿罗森多夫中心的加速器物理学家Arie Irman解释说:"你能从激光驱动的加速器中获得的最大能量受到了所谓的去杂作用的限制;"与你的加速电子相比,等离子体波简直太慢了。另一种可能性,即所谓的等离子体若隐若现加速,是注入一大堆高能量的 "驱动 "粒子,利用等离子体作为能量转移机制,将尾随的小得多的粒子中的每个粒子加速到比驱动粒子中的粒子高得多的能量。然而,这些 "等离子体若场加速器 "仍然需要一个传统的粒子加速器来产生驱动束。

2010年,伯纳德-希丁(Bernard Hidding)--当时在杜塞尔多夫的海因里希-海涅大学,现在在斯特拉斯克莱德大学--提议结合两者的优势,使用激光来创造一个等离子体,而这个等离子体又可以用来发送一束粒子穿过另一个等离子体。随后,几个研究小组已经实现了这种设备的近似,而现在Irman、Hidding及其同事首次展示了一台能够实际加速电子的机器。

研究人员的加速器被分为两部分(见图)。在一侧,一个高功率的激光脉冲穿过气体,将其电离并将等离子体波送入一片钢箔。这反射了激光,但瞬间被电离,允许等离子体的电荷通过,进入另一侧的预电离气体。等离子体中产生了一个巨大的浪涌场,使研究人员能够在短短几毫米内将电子加速到128 MeV--一个100 GV/m的加速梯度。这比传统的加速器所能达到的至少陡峭1000倍。

大学设施

尽管进行该实验需要一个专业的高功率激光设施,但这种激光器比大型粒子加速器要常见得多。"例如,在英国有几个激光设施,但没有射频驱动的等离子体醒目加速设施,Irman说;"在未来几年,我认为即使是大学也能负担得起这样的100 TW激光器,这将成为相当标准。"

"位于博尔德的科罗拉多大学的等离子体加速器物理学家Michael Litos说:"这项[工作]非常棒,因为这些人完成了该领域多年来一直在思考的事情,那就是在大学范围内进行电子束驱动的等离子体-脉动加速器研究,而不是依赖世界上这些极少数的研究设施。

他认为首批应用之一可能是生产X射线自由电子激光器,这需要高能量的电子束。"现在,你能得到这些高亮度X射线激光脉冲的唯一地方是像SLAC这样的设施,他们有林纳克相干光源......它们有成千上万的用途,而且需求量巨大。在我们甚至达到对撞机之前,我会说等离子体加速器技术的梦想应用之一是生产一个大学规模的自由电子激光器。"

该研究发表在《自然通讯》上。


推荐阅读

美国能源部投资 9300 万美元用于高能​​物理的新发现

美国能源部 (DOE) 于当地6月28日宣布为 71 个研究项目提供 9300 万美元的资金,这些项目将刺激高能物理领域的新发现。 2021-06-30

CLEAR研究为基于电子的新型癌症治疗铺平道路

该研究在欧洲核子研究中心的CLEAR测试设施进行,展示了如何将极高能量的电子束集中到深层的癌症肿瘤上。 2021-06-25

物理学家在宇宙大海捞针中发现加速器产生的中微子方面取得了重大进展

科学家们从美国能源部费米国家加速器实验室的 MicroBooNE 探测器中提取清晰的中微子信号的能力。该方法将类似 CT 扫描仪的图像重建与数据筛选技术相结合,使加速器产生的中微子信号在宇宙射线背景下以 5 比 1 的比例脱颖而出。 2021-06-16

阅读排行榜