激光等離子體加速器刷新紀錄

圖片說明：伯克利實驗室激光加速器（Berkeley Lab Laser Accelerator，BELLA）實驗中使用一條9釐米長的毛細放電波導生成高能量的電子束。使用高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）攝影技術可以更清晰地看到等離子體羽流。圖片來源：Roy Kaltschmidt

 

研究者利用世界上最強大的激光器對亞原子粒子進行加速，使其達到了打破小型加速器紀錄的最高能量狀態。

 

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Lab，Berkeley Lab）研究組利用petawatt激光和等離子體加速粒子。該裝置稱之為激光等離子體加速器（laser-plasma accelerator），科學家相信該裝置將把幾英裡長的傳統加速器縮小到桌面大小。

 

研究者將粒子置入9釐米長的等離子管中，使其加速到42.5億電子伏特。在如此短的距離內，粒子獲得的能量是傳統粒子加速器的1000倍，刷新了激光等離子體加速器的加速紀錄。

 

伯克利實驗室加速器技術與應用物理部門（Accelerator Technology and Applied Physics Division）帶頭人、論文的第一作者Wim Leemans博士說道：「這是精確控制激光與等離子體的結果。」此研究發表於Physical Review Letters雜志。

 

傳統粒子加速器體積巨大，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider）直徑17英裡，通過調節金屬腔內的電場對粒子進行加速，其加速上限為每米100兆電子伏特。

 

激光等離子體加速器采用了不同的方法。在實驗中，一束激光被注入裝有等離子體且又短又細的中空管中，激光在等離子體中形成通道和捕捉電子的波，並將電子加速到高能狀態。這與沖浪者從波浪表面滑下以增大速度的原理類似。

 

通過使用伯克利實驗室激光加速器，研究人員刷新了粒子加速的世界紀錄。自2014年起，BELLA已經得到了10的15次方瓦特的高能粒子。

 

伯克利實驗室物理科學部門實驗副主任James Symons博士說：「此次Leemans博士和他的團隊取得了卓越的成就，他們第一次操作BELLA就刷新了紀錄。」

 

BELLA不僅激光能量威力驚人，而且在操作的精確性上也聲名卓著。「在14米以內，我們將激光的直徑控制在500微米以內。」Leemans說，「我們可以很好地使用BELLA，因為它發出的激光穩定性很高。」 Leemans表示，激光脈沖在射出後一秒內，就會衰減到原來的百分之幾。他補充道：「如果激光束足夠多，就可以避免這一問題。」

 

由於能量太高，研究者需要了解各種因素分別如何影響實驗結果。他們在美國國家能源研究科學計算中心（National Energy Research Scientific Computing Center，NERSC）進行計算機模擬實驗。「小小的改變都會帶來巨大的變化。」伯克利實驗室加速科技與應用物理部門資深科學顧問Eric Esarey說道，「我們正在向更好的控制加速器的研究方向邁進。」

 

為了將粒子加速到更高的能量（Leemans團隊的近期目標是10千兆電子伏特），研究者需要更精確地操控等離子體通道的濃度。也就是說，研究者需要創造出構造更合適的通道以處理能量更高的電子。Leemans說，他們將在未來的工作中展示關於等離子體通道構造的新技術。