國外知名實驗室實現激光等離子體加速技術的重大突破

    在粒子加速領域，勞倫斯伯克利國家實驗室（BerkeleyLab）的科學家們取得了一項重大突破，他們利用激光和超音速氣體層，在短短30厘米的距離內將高質量電子束加速至100億電子伏（eV）。這一成就標志著激光等離子體加速技術向前邁出了一大步，有望在未來降低高能物理、醫學和材料科學中使用的粒子加速器的尺寸和成本。

    一、激光等離子體加速的新里程碑

    伯克利實驗室激光加速器中心（BELLA）的專家團隊通過雙激光束聚焦到一片氣體上，實現了激光驅動電子加速的里程碑。這一技術的進步不僅提高了電子束的能量和質量，而且為未來高效機器的構建鋪平了道路。

    二、雙激光系統的應用

    該團隊使用雙激光系統來產生光束。第一束激光充當鉆頭，加熱等離子體并形成通道以引導驅動激光，從而加速電子。這種等離子體通道引導激光能量的方式與光纖電纜引導光線的方式非常相似，使激光脈沖在長距離上聚焦。

    三、微調等離子體通道

    研究人員使用一系列氣體噴射器來塑造等離子體。噴射器形成一片以超音速行進的氣體，激光穿過氣體片形成等離子體通道。這種設置使研究人員能夠微調等離子體并修改其形狀，為未來應用提供了潛在的有用選擇。

    四、內部過程的可視化

    “以前，等離子體本質上是一個黑匣子。你知道你投入了什么，最后會得到什么，”研究員卡洛·貝內代蒂說。“這是我們第一次能夠捕捉到加速器內部每個點發生的情況，逐幀展示激光和等離子波在高功率下是如何演變的。”

    五、高效率的光束產生

    研究人員從一個沒有暗電流的加速結構中創建了一束高效的光束——也就是說，等離子體中沒有背景電子從激光器中轉移能量。這一成就對于未來的理想激光加速器至關重要。

    六、技術的應用前景

    這項技術可用于產生用于癌癥治療的粒子束，或作為自由電子激光器的電源，可用于制造先進材料或提供對化學和生物過程的洞察。此外，激光等離子體加速器可用于產生μ子束，以對難以探索的區域進行成像，例如金字塔、火山、礦藏或核反應堆內部。

    七、邁向更高能量的機器

    BELLA中心主任EricEsarey表示：“將各個階段耦合在一起，讓我們有一條切實可行的途徑來生成10到100GeV之間的電子，并朝著未來能夠達到10TeV[太電子伏特]的粒子對撞機邁進。”

    這項研究不僅展示了在極短距離內高質量光束的粒子能量和制造效率的顯著提高，而且為實現緊湊型加速器的應用邁出了一大步。這一成果的美妙之處在于，我們消除了限制效率和光束質量的等離子體形狀限制，構建了一個可以進行重大改進的平臺，并準備實現激光等離子體加速器的驚人潛力。這項研究計劃發表在《物理評論快報》上。