新型微粒加速器的发展之路

由208个低能激光小束的非相干组合生成的纵向尾波场的3D地图。在驾驶员后面的区域，尾场是规则的。

伯克利实验室（Berkley Lab）的研究人员展示了各种颜色和相位的光束如何影响等离子体，发现激光并不需要像以前认为的那样驱动微型粒子加速器那样精确。

制作台式粒子加速器变得更加容易。一项新的研究表明，可以显着放宽对新兴类型的小面积粒子加速器中使用的激光器的某些要求。研究人员希望这一发现可以开创加速器的新纪元，而加速器只需几米即可将粒子带到更高的速度，而不是传统加速器所需的几公里。这项来自美国能源部（DOE）劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家的研究在5月的《等离子体物理》特刊中作为封面故事进行了介绍。

传统的加速器，例如最近发现希格斯玻色子的大型强子对撞机，都依靠大功率射频波来激发电子。这种新型的加速器，称为激光等离子加速器，利用激光脉冲穿过被称为等离子的带电粒子汤爆炸。产生的等离子运动类似于水中的波，使沿波顶的电子加速运动。

但是，问题是要产生足够强大的激光脉冲以与大型加速器竞争。特别是，激光器需要具有每秒发出数千次高能脉冲的能力。当今的激光只能在所需的能量水平下每秒处理一个脉冲。

伯克利实验室的物理学家Wim Leemans解释说：“如果要制造一种用于粒子物理，医疗应用，光源应用的设备，则需要重复频率。”2013年1月，美国能源部（DOE）举办了有关加速器激光技术的研讨会。Leemans说，当时最大的问题是如何从当前的技术升级到扩大版本。

传统观点认为，以特定方式组合的许多较小的激光器实际上可以产生一个超强脉冲。从理论上讲，这听起来不错，但是构建这样一个系统的实际要求似乎令人生畏。例如，据信来自较小激光器的光将需要在颜色，相位和其他特性上精确匹配，以便在等离子体内产生电子加速运动。Leemans说：“我们认为这确实具有挑战性，我们认为您需要一个很好的激光脉冲，并且需要正确地进行一切操作以控制激光脉冲。”

但是，新的伯克利实验室研究发现情况并非如此。论文的合著者Carlo Benedetti，Carl Schroeder，Eric Esarey和Leemans希望了解不稳定的激光脉冲实际上将在等离子体内部产生什么作用。在理论的指导下，并使用计算机模拟来测试各种情况，研究人员研究了各种颜色和相位的光束（基本上是激光的大杂烩）如何影响等离子体。他们很快发现，无论光束如何，等离子体都无关紧要。

伯克利实验室的物理学家贝内代蒂说：“等离子体是一种对激光有反应的介质，但它不会立即响应。”他解释说，灯光只是在更快的时间尺度和更短的长度尺度上运转。在慢速响应的等离子体介质中，所有各种干扰模式和各种电磁场均会平均。换句话说，一旦激光进入等离子体内部，许多问题就会消失。

Leemans说：“作为这些年来的实验者，我们一直在努力制造出完美的激光脉冲，也许我们不需要那么担心。”“我认为这将对激光社区和激光制造商产生重大影响，因为突然之间，他们会想到一些我们之前所有人都说过的方法：‘不，不，不。你不能那样做。’这个新结果表明，也许您不必那么小心。”

利曼斯说，这个球又回到了实验家和激光制造商的法庭上，以证明这种想法是可行的。在2006年，他和他的团队演示了一款三厘米长的等离子加速器。Leemans和团队研究表明，传统的加速器可能需要数千米才能将电子驱动到50吉电子伏特（GeV），微型激光等离子加速器可以在短短三厘米的时间内用约40兆瓦的激光脉冲将电子达到1 GeV。 。为了获得更高的电子能量，2012年，伯克利实验室激光加速器（BELLA）安装了更大功率更大的激光器，其持续功率为40飞秒（1皮秒）的拍瓦脉冲（1万亿瓦），目前正用于旨在实现这一目标的实验中在产生10 GeV光束时。

Leemans表示，仍然需要至少五到十年的时间才能实现每秒重复发射一千个脉冲或更多脉冲的高重复频率10 GeV激光等离子加速器的目标。但是正在进行一项名为k-BELLA（k代表千赫兹）的新项目，该项目将使用杂乱的激光光源组合原理来产生快速，更强大的激光脉冲。Leemans说：“一旦我们以更高的重复频率合成脉冲，我们将朝着千赫兹GeV激光等离子体加速器迈进。”

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持，并使用了位于伯克利实验室的美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）的设施。

出版物：C. Benedetti等人，“由激光脉冲的非相干组合驱动的等离子尾波场：通往高平均功率激光等离子体加速器的道路。Plasmas 21，056706（2014）; http://dx.doi.org/10.1063/1.4878620

研究报告的PDF副本：非相干激光脉冲激发的等离子体尾场：通向高平均功率激光等离子体加速器的途径

图像：伯克利实验室Carlo Carlo Benedetti