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第一个为激光提供动力的微型粒子加速器

2021-07-26 09:26     来源:science     粒子加速器X射线
从激光和气体目标(左)到波荡器(蓝色)和电磁光谱仪(右),新型自由电子激光器的长度仅为 12 米。 上海光学精密机械研究所

20 年来,物理学家一直在努力使粒子加速器小型化——作为原子粉碎机和 X 射线源的巨大机器。这项努力迈出了一大步,因为中国的物理学家使用小型“等离子体尾流加速器”为一种称为自由电子激光器 (FEL) 的激光器提供动力。12 米长的 FEL 远不及它几公里长的前辈。不过,其他研究人员表示,该实验标志着微型加速器的重大进步。“

很多 科学家会这样看,“是的,这非常令人印象深刻!” 劳伦斯伯克利国家实验室的激光等离子体物理学家 Jeroen van Tilborg 说,他没有参与这项工作。研究新 FEL 的上海光学精密机械研究所 (SIOM) 物理学家 Ke Feng 并没有声称它已准备好用于应用。“让这些设备变得有用和微型一直是我们的目标,”冯说,“但还有很多工作要做。”

粒子加速器是无数科学领域的主力军,它发射出基本粒子并产生强烈的 X 射线束用于生物分子和材料的研究。这种加速器长达数公里,耗资 10 亿美元或更多。这是因为在传统的加速器中,电子等带电粒子只能以如此快的速度获得能量。这些粒子以紧密的束状聚集在一起,穿过真空管并穿过与微波产生共振的空腔。就像海浪推动冲浪者一样,这些微波推动电子并增加它们的能量。然而,如果微波中的振荡电场变得太强,就会引发破坏性的火花。因此,粒子每米腔可以获得最大约 100 兆电子伏特 (MeV) 的能量。

为了在更短的距离内加速粒子,物理学家需要更强的电场。将激光脉冲发射到氦气等气体中是产生它们的一种方法。光从原子上撕下电子,产生电离海啸,在气体中移动,接着是产生极强电场的涟漪电子尾迹。该尾波场可以在几厘米内捕获电子并将它们加速到 1000 MeV。

希望利用尾波场的物理学家已经证明,它们可以产生非常短而强烈的电子爆发。但是在一次爆发中,这些电子的能量通常会有几个百分点的变化,对于大多数实际应用来说太大了。现在,SIOM 物理学家 Wentao Wang、Feng 及其同事已经将等离子体尾流场加速器的输出提高到足以用它做一些可能有用的事情:为 FEL 提供动力。

在 FEL 中,物理学家将电子发射到真空管并通过称为波荡器的线路设备。在波动器内,光束管上方和下方的小磁铁像牙齿一样排成一排,相邻磁铁的北极上下交替。当电子通过波荡器时,波纹磁场来回摇晃它们,使它们发光。随着光的积累并与电子束一起传播,它将电子推回并将它们分成子束,然后协同辐射以将光放大成激光束。

世界上第一台 X 射线激光器——直线加速器相干光源 (LCLS) 于 2009 年在 SLAC 国家加速器实验室亮相,它是一种 FEL,由该实验室著名的 3 公里长的直线加速器提供动力。欧洲和日本的研究人员也建造了大型 X 射线 FEL。但是,通过将来自等离子体尾流场加速器的电子束发射到三个 1.5 米长的波荡器链中,SIOM 团队制造了一个足够小的 FEL,以适应一个长房间。

为了实现这一点,SIOM 物理学家必须将电子能量的扩散缩小到 0.5%。王说,他们成功地优化了激光和气体目标,以更好地控制电子的加速度,使它们更平稳地沿真空管向下传送。van Tilborg 说,美国和欧洲的团队已经探索了更复杂的过滤特定能量电子的方案,但 SIOM 团队采用了更简单的方法。“一切都只是稍微优化了一点,”他说。

其他人以前曾使用等离子尾波加速器将光从波荡器中引出。但他们本周在《自然》杂志上报告说,Wang 及其同事证明了放大,显示第三个波动器中的光强度增加了 100 倍。“这是向前迈出的一大步,”SLAC 的加速器物理学家 Agostino Marinelli 说。

微小的 FEL 与其更大的兄弟相去甚远,后者产生的光束比其他 X 射线源亮数十亿倍,能量扩散低至 0.1%。新的 FEL 产生更微弱的更长波长紫外线脉冲,能量分布为 2%。SLAC 研究人员也在升级 LCLS,以每秒产生数百万个脉冲;新型 FEL 每秒可产生 5 个。

Marinelli 预测,要使用该设备达到 X 射线波长将很困难。“这些结果非常令人印象深刻,但我会非常小心地将其推断为 X 射线能量,” 不过,SIOM 团队表示,这就是他们的目标。“很难说达到硬 X 射线波长需要多长时间,可能需要十年或更长时间,”SIOM 物理学家和团队成员 Ruxin Li 说。“我们期待那一天。”

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