更加经济的新一代等离子体加速器
来自能源部斯坦福直线加速器中心（SLAC）的国家加速器试验室和加州大学洛杉矶分校的科学家们向大家展示了一种比较有前景的通过等离子体波加速电子的技术。这种技术强大到足以用来设计一种更短、更经济的新型加速器。这将极大地扩大它们的应用范围，比如医药、国家安全、工业和高能物理研究。 这对等离子体尾波场加速技术的实用化来说是一种里程碑式的成果。实质上，等离子体尾波场加速技术就是处于被电离气体中的电子由于电子波的作用而获取能量被加速的技术。 利用斯坦福直线加速器中心（SLAC）（美国能源部下属的一个科学用户设备办公室）的设备进行先进加速器试验（FACET），研究人员们发现，通过同样的距离，经等离子体加速器加速的电子束的能量是经传统加速器加速的电子束的400~500倍。同样重要的是，等离子体加速器的能量转换效率也比之前的设备要高。如此关键的能量和效率组合从未有过。介绍这一成果的论文刊登在了今天的《自然》杂志上。 身为这篇论文的主要作者，来自SLAC的加速器物理学家Mike Litos说：“一种加速器的实用性取决于粒子被加速的速度。把我们的研究结果写成论文，向大家证明了我们能够使用这种技术将电子束在小于20英尺的距离上加速到与使用SLAC试验室的2英里长的线性加速器加速该电子束获得的能量相同。” 研究加速器的物理学家们对等离子体尾波场的兴趣已有35年，一直以来，物理学家们都把它作为一种比较有前景的设计尺寸更小、价格更便宜的新一代加速器。10多年来，来自UCLA和SLAC的团队一直处于等离子体尾波场技术研究的前沿地位。研究人员于2007年发表的一篇论文宣布他们能将电子从开始的420亿电子伏特加速到电子束末端的850亿电子伏特，这在科学界引起轩然大波。然而，实际上，180亿个电子中只有不到10亿个的能量出现增加，并且它们所具有的能量参差不齐，范围宽泛，使得它们并不适用于试验。
试验中，研究人员们将含有一组含有50~60亿电子的电子束对分别注入在热锂蒸汽气炉中的柱状激光等离子体内。每对电子束中的第一束为驱动束，它会带走锂原子中的所有自由电子，只留下带正电的锂原子核，这被称为blowout机制。然后，被带走的电子落在第二电子束（也称为曳尾束）后面，其会形成“等离子体尾波”，为曳尾束增加能量。 之前的试验已经验证了多级电子束加速，但是来自SLAC的团队是第一次通过blowout机制得到高能电子束，并且在获得最大能量同时也会出现最大的效率。同样重要的是，被加速的电子具有相对较小的能量范围。 作为该试验的主要研究者之一，来自SLAC的加速器物理学家Mark Hogan说：“除了试验的成功之外，这些结果具有另外一层意义。通过双电子束达到的blowout机制使得我们将加速器的效率最大增加到50%。这足以证明等离子体尾波场加速是一种可行的新一代加速器技术。” 试验所使用的等离子体源由Chandrashekhar Joshi带领的科学团队研制，他是UCLA下设的致力于研究先进加速器的海王星设备研发团队负责人。身为这项研究的研究员，他是UCLA Henry Samueli工程和应用科学学院的教员，他长期与SLAC团队进行合作。
Joshi称赞道：“很高兴看到UCLA与SLAC在等离子体尾波场加速上的合作，通过系统性的试验工作，他们的合作将逐个解决看似棘手的问题。正是这种变革性的研究把最优秀、最聪明的学生吸引到这一领域上来。当然，执行这一试验研究也不可缺少与FACET类似的设备。” Hogan指出：在等离子体尾波场加速投入使用之前，需要控制曳尾束的形状和间距，以使电子束中的所有电子获得同样能量增长。这样就可以保证电子束具有较高的整体质量。 Hogan说：“仍然有许多工作等着我们来做。但是无论是在科学上，还是在实践中，我们都没有太多的机会去进行那些我们事先就预知有潜在巨大回报的研究。”
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