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德国HZDR研究所:新型粒子加速器概念

2021-10-08 17:27     来源:质子中国     粒子加速器
日前,德国Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf研究所(HZDR)和慕尼黑大学(LMU)进行了两项互补性实验,首次结合两种不同的等离子体技术,构建新型混合加速器。原文发表于杂志Nature Communications。


实验背景

传统粒子加速器,强无线电波被引导到称为谐振器的特殊形状的金属管中。要加速的粒子,通常是电子,可以像冲浪者驾驭海浪一样驾驭这些无线电波。但该技术的潜力有限:将过多的无线电波功率馈入谐振器会产生电荷风险,从而损坏谐振器。这意味着为了使粒子达到更高的能量级,许多谐振器必须串联连接,使得目前的加速器在许多情况下长达数公里。

因此专家们急切研究替代方案:等离子体加速。原则上,短而极其强大的激光闪光射入等离子体(一种由带负电的电子和带正电的原子核组成的电离状态)。在这种等离子体中,激光脉冲会产生强大的交变电场,类似于船的尾流,可以在很短的距离内极大地加速电子。从理论上讲,这意味着设施可以建造得更加紧凑,将目前一百米长的加速器缩小到几米。

但是还有另一种等离子体加速,其中等离子体由接近光速的电子束驱动,而不是由强大的激光闪光驱动。与激光驱动的等离子体加速相比,这种方法有两个优点:第一,原则上,该方法可实现更高的粒子能量;第二,加速的电子束更容易控制。目前的缺点是:依靠大型传统加速器来产生驱动等离子体所需的电子束。

实验设置

研究人员的想法是用激光加速电子束驱动的毫米级等离子体加速器,为了测试这个概念,该团队设计了一个复杂的实验装置,HZDR激光设施DRACO发出的强光击中氦气和氮气的气体射流,通过等离子体波产生成束的快速电子束。该电子束穿过金属箔进入下一段,金属箔反射激光闪光。

在下一段中,进入的电子束遇到氢气和氦气的混合物,它可以在其中产生新的第二种等离子体波,在仅几毫米的跨度内使其他电子进入涡轮模式——发射出高能粒子束。在这个过程中,研究人员使用一个额外的、更弱的激光脉冲预电离等离子体,使得驱动光束的等离子体加速更加有效。


图1. 实验原理图概述。

实验结果

混合加速器测量不到1 cm,光束驱动加速器部分仅使用1 mm就可使电子接近光速。该过程的真实模拟显示该过程中加速电压有显著的梯度,与传统加速器相比增加了一千多倍。研究人员同时在慕尼黑大学ATLAS激光器上以类似的形式实施了这一概念。然而,在这项新技术应用之前,仍有许多困难需要克服。


图2. 激光驱动加速度(左侧)和随后的电子驱动加速度(右侧)的数值渲染,共同形成了混合等离子体加速器。

研究人员解释该技术可能的应用领域:可能成为所谓的自由电子激光器的基础。到目前为止,X射线激光器需要使用时间长且昂贵的传统加速器。新的等离子技术可以使传统加速器更加紧凑和更具成本效益。

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