一种新型的粒子加速器可在一毫米内几乎达到光速

今天世界上的粒子加速器无一例外是庞大的项目，可能有数公里长，因此等离子体加速器被认为是未来的一项有前途的技术，这是因为等离子体加速器比今天的加速器要紧凑得多。一个国际研究小组现在已经在进一步发展这种方法方面取得了重大进展。

通过在亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）和慕尼黑路德维希-马克西米利安大学（LMU）进行的两个互补实验，该研究小组首次将两种不同的等离子体技术结合起来，建立了一个新型的混合加速器。专家们在《自然-通讯》杂志上描述说，这一概念可以推动加速器的发展，从长远来看，它将成为研究和医学中高亮度X光源的基础。

在传统的粒子加速器中，强大的无线电波被引导到称为共振器的特殊形状的金属管中。被加速的粒子，通常是电子，可以像冲浪者乘坐海浪一样乘坐这些无线电波。但是该技术的潜力是有限的。向谐振器输入过多的无线电波功率会产生电荷的风险，从而损坏部件。这意味着，为了使粒子达到高能量水平，许多谐振器必须串联起来，这使得今天的加速器在许多情况下长达数公里。

这就是为什么专家们正在急切地研究一种替代方法：等离子体加速。原则上说，短而极强的激光闪电射入等离子体--一种由带负电的电子和带正电的原子核组成的物质电离状态。在这种等离子体中，激光脉冲会产生一个强大的交变电场，类似于船舶的尾流，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，将今天长达一百米的加速器缩小到只有几米。HZDR辐射物理研究所的研究员Arie Irman解释说：“这种小型化是这个概念的魅力所在。而且我们希望它将使小型大学实验室在未来也能负担得起强大的加速器”。

但是还有另一种等离子体加速的变体，即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耀驱动。这种方法比激光驱动的等离子体加速有两个优势。原则上，它应该可以实现更高的粒子能量，而且加速的电子束应该更容易控制。缺点是，目前我们依靠大型的传统加速器来产生驱动等离子体所需的电子束，例如在汉堡DESY进行此类实验的FLASH，其规模足有一百米长。

这正是这个新项目的意义所在。苏格兰斯特拉斯克莱德大学的托马斯-海涅曼（Thomas Heinemann）说：“我们问自己，我们是否可以建造一个更紧凑的加速器来驱动等离子体波？最新得想法是用激光驱动的等离子体加速器取代这种传统设施”。为了测试这个概念，该团队设计了一个复杂的实验装置，其中来自HZDR的激光设施DRACO的强光闪烁击中了氦和氮的气体喷射，通过等离子体波产生了一束快速电子束。这个电子束通过一个金属箔进入下一个环节，金属箔将激光闪光反射回来。

在这下一段中，进入的电子束遇到了另一种气体，这次是氢和氦的混合物，它可以在其中产生新的、第二种等离子体波，使其他电子在短短几毫米的范围内进入涡轮模式--射出高能粒子束。“在这个过程中，我们用一个额外的、较弱的激光脉冲对等离子体进行预电离，“Heinemann解释说。“这使得用驱动光束对等离子体进行加速要有效得多”。

结果是。“我们的混合加速器的尺寸不到一厘米，光束驱动的加速器部分只用了一毫米，就把电子带到了几乎是光速的状态。” 对这一过程的现实模拟显示，在这一过程中，加速电压有一个显著的梯度，与传统的加速器相比，对应于增加了一千多倍。为了强调他们的发现的意义，研究人员在慕尼黑大学的ATLAS激光器上以类似的形式实现了这一概念。然而，在这项新技术能够被应用之前，专家们仍有许多挑战需要克服。

专家们已经有了可能的应用领域。这种自由电子激光器被认为是极高质量的辐射源，特别是X射线，用于对纳米材料、生物大分子或地质样品进行超精确分析。到目前为止，这些X射线激光器需要长而昂贵的传统加速器。新的等离子体技术可以使它们更加紧凑和具有成本效益--也许对于普通的大学实验室来说也能负担得起。