今天世界上的粒子加速器無(wú)一例外是龐大的項(xiàng)目，可能有數(shù)公里長(zhǎng)，因此等離子體加速器被認(rèn)為是未來(lái)的一項(xiàng)有前途的技術(shù)，這是因?yàn)榈入x子體加速器比今天的加速器要緊湊得多。一個(gè)國(guó)際研究小組現(xiàn)在已經(jīng)在進(jìn)一步發(fā)展這種方法方面取得了重大進(jìn)展。

通過(guò)在亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心(HZDR)和慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學(xué)(LMU)進(jìn)行的兩個(gè)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，該研究小組首次將兩種不同的等離子體技術(shù)結(jié)合起來(lái)，建立了一個(gè)新型的混合加速器。專家們?cè)凇蹲匀?通訊》雜志上描述說(shuō)，這一概念可以推動(dòng)加速器的發(fā)展，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它將成為研究和醫(yī)學(xué)中高亮度X光源的基礎(chǔ)。

在傳統(tǒng)的粒子加速器中，強(qiáng)大的無(wú)線電波被引導(dǎo)到稱為共振器的特殊形狀的金屬管中。被加速的粒子，通常是電子，可以像沖浪者乘坐海浪一樣乘坐這些無(wú)線電波。但是該技術(shù)的潛力是有限的。向諧振器輸入過(guò)多的無(wú)線電波功率會(huì)產(chǎn)生電荷的風(fēng)險(xiǎn)，從而損壞部件。這意味著，為了使粒子達(dá)到高能量水平，許多諧振器必須串聯(lián)起來(lái)，這使得今天的加速器在許多情況下長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里。

這就是為什么專家們正在急切地研究一種替代方法：等離子體加速。原則上說(shuō)，短而極強(qiáng)的激光閃電射入等離子體--一種由帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核組成的物質(zhì)電離狀態(tài)。在這種等離子體中，激光脈沖會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的交變電場(chǎng)，類似于船舶的尾流，可以在很短的距離內(nèi)極大地加速電子。從理論上講，這意味著設(shè)施可以建造得更加緊湊，將今天長(zhǎng)達(dá)一百米的加速器縮小到只有幾米。HZDR輻射物理研究所的研究員Arie Irman解釋說(shuō)："這種小型化是這個(gè)概念的魅力所在。而且我們希望它將使小型大學(xué)實(shí)驗(yàn)室在未來(lái)也能負(fù)擔(dān)得起強(qiáng)大的加速器"。

但是還有另一種等離子體加速的變體，即等離子體由接近光速的電子束驅(qū)動(dòng)，而不是由強(qiáng)大的激光閃耀驅(qū)動(dòng)。這種方法比激光驅(qū)動(dòng)的等離子體加速有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。原則上，它應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)更高的粒子能量，而且加速的電子束應(yīng)該更容易控制。缺點(diǎn)是，目前我們依靠大型的傳統(tǒng)加速器來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)等離子體所需的電子束，例如在漢堡DESY進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)的FLASH，其規(guī)模足有一百米長(zhǎng)。

這正是這個(gè)新項(xiàng)目的意義所在。蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學(xué)的托馬斯-海涅曼(Thomas Heinemann)說(shuō)："我們問(wèn)自己，我們是否可以建造一個(gè)更緊湊的加速器來(lái)驅(qū)動(dòng)等離子體波?最新得想法是用激光驅(qū)動(dòng)的等離子體加速器取代這種傳統(tǒng)設(shè)施"。為了測(cè)試這個(gè)概念，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，其中來(lái)自HZDR的激光設(shè)施DRACO的強(qiáng)光閃爍擊中了氦和氮的氣體噴射，通過(guò)等離子體波產(chǎn)生了一束快速電子束。這個(gè)電子束通過(guò)一個(gè)金屬箔進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，金屬箔將激光閃光反射回來(lái)。

在這下一段中，進(jìn)入的電子束遇到了另一種氣體，這次是氫和氦的混合物，它可以在其中產(chǎn)生新的、第二種等離子體波，使其他電子在短短幾毫米的范圍內(nèi)進(jìn)入渦輪模式--射出高能粒子束。"在這個(gè)過(guò)程中，我們用一個(gè)額外的、較弱的激光脈沖對(duì)等離子體進(jìn)行預(yù)電離，"Heinemann解釋說(shuō)。"這使得用驅(qū)動(dòng)光束對(duì)等離子體進(jìn)行加速要有效得多"。

結(jié)果是。"我們的混合加速器的尺寸不到一厘米，光束驅(qū)動(dòng)的加速器部分只用了一毫米，就把電子帶到了幾乎是光速的狀態(tài)。" 對(duì)這一過(guò)程的現(xiàn)實(shí)模擬顯示，在這一過(guò)程中，加速電壓有一個(gè)顯著的梯度，與傳統(tǒng)的加速器相比，對(duì)應(yīng)于增加了一千多倍。為了強(qiáng)調(diào)他們的發(fā)現(xiàn)的意義，研究人員在慕尼黑大學(xué)的ATLAS激光器上以類似的形式實(shí)現(xiàn)了這一概念。然而，在這項(xiàng)新技術(shù)能夠被應(yīng)用之前，專家們?nèi)杂性S多挑戰(zhàn)需要克服。

專家們已經(jīng)有了可能的應(yīng)用領(lǐng)域。這種自由電子激光器被認(rèn)為是極高質(zhì)量的輻射源，特別是X射線，用于對(duì)納米材料、生物大分子或地質(zhì)樣品進(jìn)行超精確分析。到目前為止，這些X射線激光器需要長(zhǎng)而昂貴的傳統(tǒng)加速器。新的等離子體技術(shù)可以使它們更加緊湊和具有成本效益--也許對(duì)于普通的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)也能負(fù)擔(dān)得起。