纳米粒子将激光尾场加速器的能量提升至 10 GeV – 物理世界

高度稳定的激光尾场加速器已由 比约恩·曼努埃尔·黑格利希 德克萨斯大学奥斯汀分校和一个国际团队。 他们的设备使用纳米颗粒将电子直接放入等离子体波中，将电子加速到高达 10 GeV 的能量。

激光尾场加速于 1979 年首次提出，它提供了一种制造紧凑型粒子加速器的方法，这种加速器可以达到通常只有千米大小的设施才能达到的能量。

加速过程涉及向低密度气体的小单元发射强激光脉冲。 光使气体中的原子和分子电离以产生等离子体。 在激光脉冲的最高强度区域，电场将轻电子与较重离子分开。 一旦脉冲通过，电子就会冲回离子，触发等离子体波，该等离子体波在细胞中传播，就像船的尾流一样。

巨大的梯度

这种等离子体波具有振荡电场，类似于驱动粒子通过传统加速器的电磁波，但等离子体波长要短得多。 结果是加速度梯度比传统加速器中的加速度梯度大三个数量级。

在过去的几十年里，物理学家在完善激光尾场加速器的设计和操作方面取得了几个重要的里程碑。 然而，产生稳定的电子束仍然是一个重大挑战。 一个重要的问题是如何确保要加速的电子在正确的时间位于正确的位置，以充分利用尾场。

在他们的研究中，Hegelich 的团队通过改进的加速器装置解决了这一挑战，该加速器装置在氦气池底部设有可拆卸的金属板。 加速过程从辅助激光器向板上发射脉冲开始。 这会释放出铝纳米颗粒，与气体均匀混合。

然后气体被来自 德克萨斯拍瓦激光器，它产生等离子体并从纳米颗粒中释放电子。

正确的地点正确的时间

“纳米粒子在正确的点和正确的时间释放电子，因此它们都位于波中，”黑格利希解释道。 “我们在我们希望的时间和地点获得了更多的电子，而不是在整个相互作用中统计分布。”

新型粒子加速器由弯曲激光束驱动

因此，该团队可以产生比以前的设计更加稳定和一致的电子束。 他们从长度仅 4 厘米的设备中产生了能量为 10-10 GeV 的光束。 相比之下，汉堡欧洲 XFEL 的直线加速器可在 17 公里的距离内将电子加速到 2.1 GeV。

目前，研究人员对于他们的系统为何运行如此良好还没有很好的理论理解，因此他们计划更详细地探索纳米级机制。

该团队希望未来几代激光尾场加速器能够从他们的研究中受益。 实用的、房间大小的加速器的开发可能适用于材料科学、医学成像和癌症治疗等广泛领域。

该研究描述于 极端物质和辐射.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/