物理学家开发一种新的方法来加速带电粒子

电子更动力：带电粒子通过光学玻璃光栅从源（左）飞向检测器（右）。红色激光从下方通过光学光栅光束。渐逝光波平行于光栅的表面延伸，在光栅处脱离该光束。它们与微波中的电场更强的电场加速电子，目前用于此目的。

Max Planck Institute的物理学家开发了一种新方法，使用光线加速带电粒子，这引领了更紧凑的粒子加速器的方式。

现代粒子促进剂尺寸高达几公里，欧元的成本数十亿欧元。但由于新方法，他们可能会缩小到不到10米，未来少10倍。为此，在Max Planck Quantum光学研究所的物理学家直接使用光波加速电子。相比之下，在常规过程中，用微波加速颗粒。在他们的示范实验中，John Breuer和Peter Hommelhoff获得了一种加速力，同等强硬，因为当前常规粒子促进剂中的力。基于加油的过程的独特特征是它是模块化的，可以扩展到能够加速带电粒子的多级系统 - 这可能是质子或离子，以及电子比当前系统快100倍，因此，可以建立在更小的规模中。然而，这种扩展仍然需要发展工作。

经济高效的实验室规模粒子加速器，少于10米的实验室规模粒子加速器将极大地使研究界受益。许多研究组定期排队在少数线性加速器中排队，其中直线颗粒几乎加速到光速。另一方面，较小且更便宜的加速器将以更大的数量提供，并将导致研究和更快的研究结果在核物理学，材料科学和生命科学等领域。

为了能够构建更紧凑的粒子促进剂，必须加强驱动颗粒的电场。这可以由汽车代表电子的图像来说明，街道代表电场，并且街道的梯度对应于场的强度。然后，一个更强大的电场等同于一个更陡峭的倾斜街道，滚动车在短时间内的速度速度收集相同的速度，而不是在漫长的平坦的道路上。但几乎不可能通过当前技术增加电场。隐喻地说，当前的加速器是梯度有限的倾斜度。

电子的加速力可以使用光增加百倍

现代粒子促进剂的局限由它们制成的材料设置：金属。如果电场太强，金属表面可能会损坏。电场强度也限制了可以在路径的每一米上传递到粒子的能量。

不导通（介电）材料，例如玻璃经玻璃的材料，其比在金属中发现的玻璃，所以提供了光是电场的源极。因此，“加速力可能会增加百倍，”John Breuer说，使用Light作为他在Max Planck的量子光学研究所的博士学位的一部分加速电子。“而不是长短公里，加速器只会长10米，”他补充道。

这表明介电材料应该用于下一代颗粒促进剂，并且该颗粒应由光波驱动。John Breuer和Peter Hommelhoff，现在与Friedrich Alexander University Erlangen，在他们的实验中使用了玻璃和激光脉冲。来自加利福尼亚州斯坦福大学和斯坦福大学和斯拉克国家加速器实验室的研究人员也在同时致力于电子加速，两队都是以这种方式使用光线加速电子的速度。

未来加速器的概念研究：电子可以加速到几层中的光速，并充电具有相对论的能量。来自源A的电子最初流过B1至B3，在那里它们不相对加速。在C部分中，它们不再变得更快，但它们增加了更多的能量。对于B1至B3的非相对论加速度，光栅中的凹槽之间的间隙必须变得更大，以便于连续加速度。单个激光提供加速度的能量。在背景中，电子通过电子经历的千兆电子伏的加速度以红色示出。蓝线显示了通道中的相关点处的粒子的能量。图像不是缩放 - 光栅结构小于一微米。物理评论信/ John Breuer

电子在渐逝波的前面加速

在其实验中，基于加入的基于古的研究人员使用的微小玻璃具有窄的凹槽750纳米，对应于红色激光的波长。该衍射光栅大约是毫米宽的千倍宽，垂直于其直线传播方向偏转光。光束被分成称为模式的各种级数。其中一些模式是渐逝波：在光栅后面的空间中不会展开的光波。相反，它们平行于光栅表面跑。Breuer和Hommelhoff使用这种渐逝波来加速电子。

使用传统电子显微镜的电子源，它们在玻璃光栅表面上射出基本颗粒，平行于渐逝波的运动方向。一些电子经历了冲浪者使用的类似效果。波浪前部有效的电场以相同的方式加速了电子，使波峰填充冲浪器的梯度​​。研究人员能够测量每米的25兆电子伏的加速力，这大致对应于电流促进剂的力。

“这表明原理工作，”布雷尔说。然而，为了实现适合应用的最终能量，玻璃光栅必须具有更复杂的结构。因此，渐逝波必须通过加速的电子获得速度。它们的速度取决于玻璃中的凹槽之间的间隙。因此，该间隙必须沿加速路径增加。结果也会增加加速力。然后，以这种方式设计的粒子加速器可以基于比今天建造的系统在显着更小的规模上。在这方面，布雷尔强调，同时开发的技术，例如古斯坦福和斯坦福的技术可以组合起来。

高性能系统可以从多个光栅中构建

Breuer引用该程序的简单可扩展性作为最重要的优势。这意味着通过连接多个光栅，可以容易地扩展到更高性能的系统中的加速器。另一个优点是可以在时间方面更精确地控制加速的电子脉冲。随着驱动光的频率显着高于微波的频率，也可以产生具有更高频率的较短的电子脉冲，应力挖磨机。根据物理学家，这种有效地导致极快的电子钻镜，使科学家们能够研究快速过程，例如晶体的变化。“该方法也适用于将来的建设，更具成本效益和更紧凑的自由电子激光器，”添加布雷尔。这种X射线来源也是材料科学和生物学中有价值的研究工具。

然而，即使是基于新的涂层方法的加速器或自由电子激光器也会有它们的局限性。它们会产生小的电子流量，并提供较小的光束直径。然而，与今天的传统同步源相比的X射线光的相关较低功率可以得到补偿，以便这种创新来源表现出更好的相干性能 - 它们的脉冲中的光波比标准同步的波更精确地振动辐射。这将使科学家能够进行一系列新的实验，从高分辨率断层扫描到原子核的光谱。

在未来，在加入的研究团队想要建立由介电材料制成的结构，这些结构比当前几百毫米长，从而促进更大的加速度。它们还对硅，由于在半导体行业中建立的方法，这是一个更有效的材料，该材料比玻璃更有效，更加复杂的结构。

出版物：John Breuer＆Peter Hommelhoff，“基于激光的非蚀刻电子加速度在介电结构中，”物理。莱特牧师111,134803,2013; DOI：10.1103 / physrevlett.1111.134803

研究报告的PDF副本：基于激光的介电结构的非椭圆的加速度

图片：John Breuer;物理评论信/ John Breuer