等离子韦克菲尔德加速里程碑

该模拟描绘了两个电子束，每个电子束包含50亿至60亿个电子，在SLAC的实验过程中，激光束在热锂气体烘箱内由激光产生的等离子体柱加速了。（SLAC国家加速器实验室）

研究人员在证明等离子尾波加速的实用性方面达到了一个里程碑，将电子束提升为比传统加速器中相同距离行进的能量高400至500倍的能量。

加州门洛帕克（Menlo Park）-能源部SLAC国家加速器实验室和加州大学洛杉矶分校的科学家表明，一种有前途的技术可以加速等离子体波上的电子，足以为新一代更短，更经济的加速器提供动力。这可能会大大扩展其在医学，国家安全，工业和高能物理研究等领域的用途。

这项成就是证明等离子流场加速实用性的里程碑，该技术是电子通过基本上在离子化气体中冲浪电子波来获取能量的技术。

使用美国能源部科学办公室用户便利设施SLAC的先进加速器实验测试设施（FACET），研究人员将电子束的能量提高到比传统加速器在相同距离内行进的能量高400至500倍。同样重要的是，与以前的实验相比，能量转移到电子的效率更高。能源和效率的这种至关重要的结合从未达到过。结果发表在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中。

该论文的主要作者，SLAC加速器物理学家Mike Litos说：“加速器的许多实用方面取决于粒子的加速速度。”“为了将这些结果放在上下文中，我们现在表明，可以使用此技术在不到20英尺的距离内将电子束加速到2英里长的SLAC线性加速器中获得的相同能量。”

加速器物理学家已经将等离子尾流场作为一种驱动未来更小，更便宜的加速器的更有希望的方法之一，已有35年的历史了。十多年来，UCLA和SLAC小组一直处于等离子流场加速研究的最前沿。在2007年的一篇论文中，研究人员宣布，他们将长束电子束中的电子从420亿电子伏特加速到850亿电子伏特，这引起了科学界的极大兴趣。但是，脉冲中的180亿个电子中实际上只有不到10亿个电子获得了能量，并且它们的能量分布很广，因此不适合用于实验。

在该实验中，研究人员将成对的电子束成对，每个束中包含50亿至60亿个电子，这些激光束进入热锂气烤箱内激光产生的等离子体柱中。每对中的第一束是驱动器束。它把所有自由电子从锂原子上吹走，留下带​​正电的锂核，这被称为“井喷状态”。被爆炸的电子然后掉落在第二束电子后面，称为尾束，形成“等离子体唤醒”，将尾束推向更高的能量。

SLAC的研究人员解释了他们如何使用等离子尾波场在短距离内将电子束加速为很高的能量。他们的实验为粒子加速器的未来提供了可能的途径。

高效可行的技术

先前的实验已经证明了多束加速，但是SLAC的团队是第一个达到井喷状态高能量的团队，在这里可以找到以最大效率获得的最大能量增益。同样重要的是，加速电子以相对较小的能量散布而卷起来。

SLAC加速器物理学家，该实验的主要研究人员之一，Mark Hogan说：“这些结果除了成功的实验以外，还有其他意义。”“采用两束式配置达到井喷状态，使我们能够将加速效率提高到最大50％，这足以表明等离子体尾流加速技术对于未来的加速器是可行的技术。”

实验中使用的等离子体源由加州大学洛杉矶分校高级加速器研究海王星设施负责人Chandrashekhar Joshi领导的一组科学家开发。他是加州大学洛杉矶分校这项研究的主要研究员，是加州大学洛杉矶分校亨利·萨缪里工程与应用科学学院的教职人员，并且是SLAC小组的长期合作者。

乔希说：“很高兴看到UCLA-SLAC在等离子体尾场加速方面的合作继续通过系统的实验工作逐一解决看似棘手的问题。”“正是这种变革性的研究吸引了该领域最优秀和最聪明的学生，而且他们必须拥有诸如FACET之类的设施来开展这项工作。”

该动画说明了如何利用等离子体中产生的尾波将电子有效地加速为高能。

后续步骤

未来还有更多里程碑。霍根说，在使用等离子尾波加速器之前，必须使尾束的形状和间距正确，以使束中的所有电子都获得完全相同的能量提升，同时保持较高的电子束总体质量。

霍根说：“我们已经为我们完成了工作。”“但是您没有太多的机会进行事先知道有可能在科学和实践上获得巨大回报的研究。”

实验中使用的计算机模拟是由加州大学洛杉矶分校的沃伦·莫里（Warren Mori）小组开发的。其他贡献者包括SLAC，挪威奥斯陆大学，中国清华大学和德国马克斯·普朗克物理研究所的研究人员。该研究由美国能源部科学办公室资助。

出版物：M. Litos等，“等离子体流场加速器中电子束的高效加速”，《自然》 515，第92-95页（2014年11月6日）； doi：10.1038 / nature13882

图像：SLAC国家加速器实验室