世界纪录：创新的激光等离子加速器全天候运行

在激光等离子体加速中，强激光脉冲（红色）通过从气体分子中剥离电子来在氢气中产生等离子体波（蓝色）。电子（红色）像小船后的冲浪者一样在波浪中驰ride。这将它们极快地推向高能量。LUX工厂现已在大约30小时内连续交付了超过10万个此类粒子束。

这项创新加速器技术首次实际应用的里程碑。

DESY的一组研究人员在通往未来粒子加速器的道路上迈出了重要的里程碑。在连续产生电子束的同时，所谓的激光等离子体加速器首次运行了超过一天。由DESY和汉堡大学共同开发和运营的LUX光束线的运行时间为30小时。该小组负责人安德里亚斯·迈耶（Andreas R. Maier）说：“这使我们更接近于这种创新的粒子加速器技术的稳定运行。”科学家在《 Physical Review X》杂志上记录了他们的记录。“将激光等离子体加速从实验室转移到实际应用的时机已经成熟，” DESY加速器部门主管Wim Leemans补充说。

物理学家希望激光等离子体加速技术将导致新一代功能强大且紧凑的粒子加速器，这些加速器为广泛的应用提供独特的性能。在此技术中，激光或高能粒子束会在细毛细管内部产生等离子波。等离子体是一种气体，其中气体分子的电子已经被剥离。LUX使用氢气作为气体。

LUX中等离子体波的详细模拟。

“激光脉冲以狭窄的圆盘形式穿过气体，从氢分子中剥离出电子，像扫雪机一样将其扫到一边，” DESY加速器装置小组负责人，在中心工作的Maier解释说。代表自由电子激光科学（CFEL），这是DESY，汉堡大学和马克斯·普朗克学会的联合企业。“脉冲后的电子会被前面的带正电的等离子波加速-就像滑水者在船尾后面骑行波一样。”

这种现象使激光等离子加速器可以获得比当今最强大的机器所能提供的加速强度高一千倍的加速强度。等离子体加速器将为从基础研究到医学的广泛应用提供更紧凑，功能更强大的系统。在将这些设备投入实际使用之前，仍然需要克服许多技术挑战。“如今，我们能够长期使用光束线，我们将能够更好地应对这些挑战，”迈耶解释道。

电子被加速的LUX等离子体电池（在白色安装的中心）只有几毫米长。

在破纪录的不间断运行中，物理学家加速了100,000多个电子束，每秒一束。得益于这个庞大的数据集，可以更精确地关联和分析加速器，激光器和束的特性。迈尔说：“例如，电子束中不需要的变化可以追溯到激光器中的特定点，因此我们现在确切地知道了从哪里开始才能产生更好的粒子束。”Leemans解释说：“这种方法为主动稳定光束奠定了基础，例如已部署在世界上每一个高性能加速器上。”

Maier认为，成功的关键是将来自两个不同领域的专业知识结合起来：等离子加速和稳定加速器操作方面的专业知识。据他介绍，从真空技术和激光专业知识到全面而复杂的控制系统，无数因素促进了加速器的长期稳定运行。“从原则上讲，该系统可以保持更长的运行时间，但是我们在30小时后将其停止，” Maier报告。“从那时起，我们又重复了三遍这样的试验。”

“这项工作表明，激光等离子体加速器可以产生可再现和可控制的输出。这为进一步开发该技术提供了具体的基础，以便在DESY和其他地方建立未来的基于加速器的光源。” Leemans summarises说道。

参考：Andreas R. Maier，Niels M. Delbos，Timo Eichner，LarsHübner，SörenJalas，Laurids Jeppe，Spencer W. Jolly，Manuel Kirchen，Vincent Leroux，Philipp Messner， Matthias Schnepp，Maximilian Trunk，Paul A.Walker，Christian Werle和Paul Winkler，2020年8月18日，实物评论X.DOI：
10.1103 / PhysRevX.10.031039

汉堡大学，欧洲ELI-Beamlines项目，马克斯·普朗克超快成像与结构动力学研究学院（IMPRS-UFAST）和DESY的科学家都参与了这项研究。