紧凑型电子加速器仅靠光就能达到新速度

诸平

An image from a simulation in which a laser pulse (red) drives a plasma wave, accelerating electrons in its wake. The bright yellow spot is the area with the highest concentration of electrons. In an experiment, scientists used this technique to accelerate electrons to nearly the speed of light over a span of just 20 centimeters. Credit: Bo Miao/IREAP

据美国马里兰大学（University of Maryland简称UMD）Dina Genkina2022年9月19日报道，美英科学家们利用对超快激光的精确控制已将电子加速到20 cm的拉伸范围内，达到通常为10个足球场大小的粒子加速器保留的速度。详见Compact electron accelerator reaches new speeds with nothing but light.

马里兰大学 (UMD) 的一个团队由物理、电气和计算机工程教授霍华德·米尔切伯格（Howard Milchberg） 领导，与美国科罗拉多州立大学 (Colorado State University 简称CSU)的 乔治·罗卡（Jorge J. Rocca）团队合作，使用通过发送的两束激光脉冲（laser pulses）穿过一股氢气流实现了这一壮举。第一束激光脉冲撕裂了氢气，在其中打了一个洞，形成了一个等离子体通道。该通道引导了第二束更高功率的激光脉冲，该脉冲将电子从等离子体中舀出并在其尾迹中拖动它们，在此过程中将它们加速到接近光速。

借助这项技术，该团队将电子加速到了大型设施，如斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center简称SLAC）国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的加速器——千米长的直线加速器相干光源（Linac Coherent Light Source简称LCLS）所获得能量的近40%。相关研究结果于2022年8月1日已经在《物理评论X》（Physical Review X ）杂志网站发表——B. Miao, J. E. Shrock, L. Feder, R. C. Hollinger, J. Morrison, R. Nedbailo, A. Picksley, H. Song, S. Wang, J. J. Rocca, H. M. Milchberg. Multi-GeV Electron Bunches from an All-Optical Laser Wakefield Accelerator. Physical Review X, 2022, 12(3): 031038. Published 16 September 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031038. https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.031038

参与此项研究的除了来自美国UMD和CSU的研究人员之外，还有来自英国牛津大学（University of Oxford）的研究人员。

UMD电子与应用物理研究所（Institute of Research Electronics and Applied Physics at UMD）的霍华德·米尔切伯格说：“这是第一个完全由激光驱动的多GeV电子加速器。随着激光变得更便宜、更高效，我们预计我们的技术将成为该领域研究人员的必经之路。”

推动这项新工作的是像直线加速器相干光源（LCLS）这样的加速器，这是一条长达1000 m的跑道，可将电子加速到136亿电子伏特 (13.6 GeV)，即以99.99999993% 光速移动的电子能量。LCLS的前身是关于基本粒子的三项诺贝尔奖获得者发现的幕后推手。现在，三分之一的原始加速器已转换为LCLS，利用其超快电子产生世界上最强大的X-射线激光束。科学家们使用这些X-射线来观察原子和分子内部的作用，制作化学反应的视频。这些视频是药物发现、优化能量存储(energy storage)、电子器件创新等方面的重要工具。

将电子加速到数十GeV的能量绝非易事。SLAC的直线加速器使用在很长的分段金属管系列中传播的强大电场为电子提供所需的推动力。如果电场更强大，它们会在管内引发雷暴并严重损坏它们。由于无法更强力地推动电子，研究人员选择简单地推动它们更长时间，为粒子加速提供更长的跑道。因此才有了横跨美国加州北部长达一公里的分段金属管系列。为了将这项技术发展到更易于管理的规模，UMD和CSU的团队利用适当的光本身将电子提高到接近光速。

UMD物理学研究生、该研究论文的共同第一作者加伦·施罗克（Jaron Shrock）说：“最终目标是将GeV级电子加速器缩小到一个中等大小的房间。你正在使用千米级的设备，而且你还有另外1000倍的加速场。因此，您将千米级到微缩至米级，就是这项技术的目标。”

在实验室中创建这些更强的加速场采用称为激光尾场加速（laser wakefield acceleration）的过程，其中紧密聚焦和强激光脉冲通过等离子体发送，产生干扰并在其尾迹中拉动电子。

UMD物理学博士后、该研究论文的共同第一作者苗博（Bo Miao音译）说：“你可以把激光脉冲想象成一艘船。当激光脉冲在等离子体中传播时，由于它是如此强烈，它会将电子推出其路径，就像水被船头推到一边。这些电子在船周围循环并聚集在船后面，在激光脉冲的尾迹中传播。”

激光尾场加速（Laser wakefield acceleration）于1979年首次提出，并于1995年进行了演示。但它可以加速电子的距离仍然顽固地限制在几厘米之内。使UMD和CSU的团队能够比以往任何时候都更有效地利用尾场加速的原因，就是UMD团队率先驯服高能光束，并防止其能量扩散得太薄的技术。他们的技术在等离子体上打了一个洞，形成了一个保持光束能量集中的波导。

加伦·施罗克解释说：“波导允许脉冲传播更长的距离。我们需要使用等离子体，因为这些脉冲能量非常高，非常明亮，它们会破坏传统的光缆（optic cable）。等离子体不能被摧毁，因为在某种意义上它已经被摧毁了。”

他们的技术凭空创造了类似于光纤电缆的东西——传输光纤互联网服务和其他电信信号的东西。或者，更准确地说，来自精心雕刻的氢气射流。

传统的光纤波导由两部分组成：引导光的中心“芯”和防止光泄漏的周围“包层”。为了制作他们的等离子波导，该团队使用了额外的激光束和氢气射流。当这个额外的“引导”激光穿过氢气射流时，它会将电子从氢原子中剥离出来，并形成一个等离子体通道。等离子体很热并迅速开始膨胀，从而在其边缘形成密度较低的等离子体“核心”和较高密度的气体，就像圆柱壳一样。然后，主激光束（将在其尾迹中收集电子的激光束）通过该通道发送。该脉冲的最前沿也将较高密度的壳层转变为等离子体，从而形成“包层”。

加伦·施罗克说：“这有点像盾构机（第一束激光脉冲）清除了一个区域。然后第二束高强度激光脉冲下降，就像一列火车，有人站在前面，在它前进的过程中抛下铁轨。”

使用UMD的光学生成等离子体波导技术，结合CSU团队的高功率激光器和专业知识，研究人员能够将他们的一些电子加速到惊人的5 GeV。这仍然比SLAC的大型加速器小3倍，而且还不是激光尾场加速所达到的最大值（该荣誉属于劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队）。然而，在这项新工作中，每GeV加速所使用的激光能量是创纪录的，并且该团队表示他们的技术更加通用：它可能每秒产生数千次电子爆发（而不是大约每秒一次），这使它成为许多应用领域的一项有前途的技术，从高能物理学到产生X-射线，可以像LCLS那样拍摄分子和原子运动的视频。现在，该团队已经证明了这种方法的成功，他们计划改进设置，以提高性能，并将加速度提高到更高的能量。

苗博说：“现在，沿着波导的全长产生电子（20 cm长），这使得它们的能量分布不太理想。我们可以改进设计，以便我们可以控制它们的精确注入位置，然后我们可以更好地控制加速电子束的质量。”

虽然在桌面上实现LCLS的梦想还没有成为现实，但作者说这项工作显示了一条前进的道路。加伦·施罗克说：“从现在到那时，有很多工程和科学工作要做。传统的加速器产生高度可重复的光束，所有电子都具有相似的能量并沿相同的方向行进。我们仍在学习如何在多 GeV 激光尾场加速器中改进这些光束属性。为了实现10倍GeV规模的能量，我们可能需要设置多个尾场加速器，将加速的电子从一个阶段传递到下一个阶段，同时保持光束质量。因此，从现在到拥有依赖激光尾场加速的LCLS型设施还有很长的路要走。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Meter-scale plasma waveguides push the particle accelerator envelope

Abstract

We present the first demonstration of multi-GeV laser wakefield acceleration in a fully optically formed plasma waveguide, with an acceleration gradient as high as 25 GeV/m. The guide was formed via self-waveguiding of <15 J, 45 fs (<～300 TW) pulses over 20 cm in a low-density hydrogen gas jet, with accelerated electron bunches driven up to 5 GeV in quasimonoenergetic peaks of relative energy width as narrow as ～15%, with divergence down to ～1  mrad and charge up to tens of picocoulombs. Energy gain is inversely correlated with on-axis waveguide density in the range N_e0=(1.3–3.2)×10¹⁷ cm⁻³. We find that shot-to-shot stability of bunch spectra and charge are strongly dependent on the pointing of the injected laser pulse and gas jet uniformity. We also observe evidence of pump depletion-induced dephasing, a consequence of the long optical guiding distance.