Wakefield激光加速器 - 能量里程碑

Texas Petawatt Laser進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們的Wakefield激光加速器有所不同：添加鋁納米粒子可以提升電子能量。Wakefield laser accelerator粒子加速器，它使用高功率激光在氣體靶中產(chǎn)生等離子體。當(dāng)激光穿過(guò)等離子體時(shí)，它在尾部留下一個(gè)波，類似于湖面上的船。該波是一個(gè)小面積的強(qiáng)電勢(shì)梯度，可加速等離子體尾場(chǎng)加速器中的帶電粒子。

圖1：藝術(shù)家對(duì)尾流場(chǎng)過(guò)程的渲染。超強(qiáng)紅外激光脈沖（紅色）拖動(dòng)其后的三維等離子體尾流。電子在第一個(gè)氣泡的后面被注入到這個(gè)尾流中，并在激光脈沖的驅(qū)動(dòng)下加速。

由The University of Texas at Austin物理學(xué)副教授比約恩·“曼努埃爾”·赫格利希（Bjorn “Manuel” Hegelich）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組最近展示了一種長(zhǎng)度不到20米的小型粒子加速器，該加速器產(chǎn)生的電子束能量為100億電子伏特（10 GeV）。

美國(guó)只有另外兩個(gè)加速器能夠達(dá)到如此高的電子能量，它們都長(zhǎng)約3公里。在德克薩斯州規(guī)模的突破中，該團(tuán)隊(duì)的激光加速器可以在10厘米內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些能量（產(chǎn)生光束的腔室大?。?。

激光如此強(qiáng)大，以至于它們可以瞬間使電子發(fā)生相對(duì)論性變化，這令赫格利希著迷。換句話說(shuō)：任何暴露在激光下的電子都會(huì)根據(jù)最著名的物理方程E=mc^2立即獲得其靜止質(zhì)量能量——在極快的飛秒內(nèi)。

“一飛秒與一秒的對(duì)比，就像一秒與宇宙年齡的對(duì)比一樣，所以是瞬間發(fā)生的，”赫格利希說(shuō)。“如果你進(jìn)一步提高激光強(qiáng)度，你就會(huì)開始進(jìn)入量子效應(yīng)，并有關(guān)于我們可能如何使用它來(lái)測(cè)試量子引力的想法。從基礎(chǔ)物理學(xué)的角度來(lái)看，這是一個(gè)非常有趣的領(lǐng)域，值得探索?！?/p>

從實(shí)際出發(fā)，赫格利希受到了可能產(chǎn)生實(shí)際影響的驅(qū)動(dòng)?！暗谝慌?jì)算機(jī)是樓房大小的機(jī)器，在當(dāng)時(shí)可以做驚人的事情，”赫格利希說(shuō)?！暗?，一旦我們弄清楚如何使它們小到每個(gè)人都可以擁有，計(jì)算機(jī)就開始產(chǎn)生真正廣泛的影響。幾十年來(lái)，加速器和由加速器驅(qū)動(dòng)的X射線源一直是我們最強(qiáng)大的研究工具。但是，如果我們使獲取途徑民主化，使它們足夠小、足夠緊湊，以至于無(wú)處不在，我們就可以充分發(fā)揮它們的潛力?！?/p>

Wakefield laser accelerators

Wakefield激光加速器的概念（見(jiàn)圖1）早在1979年就首次被描述：一束極其強(qiáng)大的激光擊中氦氣，將其加熱成等離子體，并產(chǎn)生波，將電子從氣體中踢出，形成高能電子束。

在我們基本的設(shè)置中，我們有一個(gè)氣室或噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，用氦氣、氫氣或一些混合氣體填充，“赫格利希說(shuō)?！俺瑥?qiáng)激光穿過(guò)氣體，使其電離，并轉(zhuǎn)化為等離子體。激光脈沖拖動(dòng)等離子體波，就像船在湖面上拖動(dòng)尾跡一樣（見(jiàn)圖2）。電子可以在尾跡上沖浪，被拖動(dòng)并獲得能量，并加速。

圖2. 電子加速的等離子體室。氦氣和鋁納米粒子從底部注入，德克薩斯州皮塔瓦特激光器從右側(cè)進(jìn)入，電離氣體/納米粒子混合物，并產(chǎn)生三維等離子體波，即加速電子的“尾流場(chǎng)”（a “wakefield” that accelerates the electrons）。

這些激光場(chǎng)非常強(qiáng)，所以波也很強(qiáng)，電子被加速得很厲害?！霸谖覀兊睦又?，我們用金屬（鋁）納米粒子來(lái)填充這個(gè)裝置。當(dāng)激光電離它們時(shí)，許多電子被注入波中，所以我們能得到更多的電荷。由于這種多余的電荷，我們還可以保持加速更長(zhǎng)時(shí)間——甚至達(dá)到更高的能量?！?/p>

當(dāng)他們預(yù)計(jì)使用納米粒子時(shí)（基于之前在較小的激光器上的結(jié)果），能量擴(kuò)散范圍較小，能量較高，電荷較低，但結(jié)果卻令人震驚，電荷提高了5倍。

“一旦我們開始用德克薩斯州的大型皮瓦激光器試驗(yàn)，我們立刻發(fā)現(xiàn)情況與以前有所不同——它們非常不同，”赫格利希說(shuō)?！?0年來(lái)，我們一直試圖增加電子能量，但沒(méi)有取得多大成功；我們被困在2 GeV左右。一旦我們使用納米粒子，能量就高得多，我們得到了更多的電子。

這只是一個(gè)開始——現(xiàn)在他們已經(jīng)展示了原理。下一步：精確控制。赫格利希（Hegelich）說(shuō)：“很大一部分涉及激光工程，以開發(fā)具有更高發(fā)射率的激光器，等離子體工程以實(shí)現(xiàn)精度，軟件工程以實(shí)現(xiàn)更好的反饋和控制?！?。“這將使我們達(dá)到10 GeV的結(jié)果真正適用，并使其能夠應(yīng)用于半導(dǎo)體計(jì)量和生產(chǎn)、空間物理學(xué)以及癌癥治療和診斷。

Texas Petawatt Laser需要資金

該團(tuán)隊(duì)演示的主要挑戰(zhàn)是，德克薩斯州皮塔瓦激光器每天只能試驗(yàn)四到五次，而且它們不一定都能按照預(yù)期的方式工作。

“激光參數(shù)，如能量、脈沖持續(xù)時(shí)間或焦斑大小，可能會(huì)波動(dòng)很大，因?yàn)橄到y(tǒng)的部分組件已經(jīng)相當(dāng)陳舊，”赫格利希解釋道?！捌渌糠质切碌暮蜕?jí)的，但主要放大器（見(jiàn)圖3）來(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室舊的Nova激光器，該激光器于1999年退役，所以我們通常每天只能得到一兩次好實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相當(dāng)差。我們想確保結(jié)果可重復(fù)，所以在兩年內(nèi)進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)以獲取數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖4）。

圖3： Texas Petawatt Laser system激光器的放大器級(jí)之一。

該團(tuán)隊(duì)可以重建德克薩斯州皮塔瓦特激光器（小型化），將目前的激光器升級(jí)為每分鐘試驗(yàn)一次，而不是每隔幾個(gè)小時(shí)試驗(yàn)一次。遺憾的是到目前為止，這項(xiàng)升級(jí)還沒(méi)有得到資助。

Wide range of applications ahead

在短期內(nèi)，在較低的能量下，該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)可能會(huì)在半導(dǎo)體計(jì)量學(xué)中應(yīng)用于新型3D芯片設(shè)計(jì)的三維（3D）成像（semiconductor metrology for 3Dimaging of new 3D chip designs）?！八€將應(yīng)用于空間電子設(shè)備的輻射測(cè)試，”赫格利希（Hegelich）說(shuō)?！敖】凳橇硪粋€(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域——我們的激光技術(shù)在治療學(xué)中有需求，我們將看到用于癌癥的極高能電子療法，在診斷學(xué)中，它能夠?qū)崿F(xiàn)新的方法，如X射線誘導(dǎo)的聲學(xué)計(jì)算機(jī)斷層掃描?！?/p>

一個(gè)巨大的潛在應(yīng)用是激光驅(qū)動(dòng)的X射線自由電子激光器（XFEL），如斯坦福大學(xué)的直線加速器相干光源或漢堡大學(xué)的歐洲XFEL，它需要>10 GeV的電子束來(lái)驅(qū)動(dòng)它。

目前，全球只有少數(shù)幾臺(tái)這樣的機(jī)器，這意味著使用它們的權(quán)限和可用時(shí)間有限?！坝瞂射線自由電子激光是終極的X射線顯微鏡，在空間和時(shí)間上實(shí)現(xiàn)了分子分辨率，因此它們將成為從材料科學(xué)到生物學(xué)、化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的前沿研究工具，”赫格利希說(shuō)。“它們將使新電池、太陽(yáng)能電池、設(shè)計(jì)藥物、疫苗、藥物和其他數(shù)百個(gè)行業(yè)的研究成為可能。”

該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)可以將 XFEL 從園區(qū)尺寸縮小到實(shí)驗(yàn)室大小，這樣每個(gè)大型大學(xué)甚至公司都可以擁有一個(gè)，他補(bǔ)充道。使更多研究人員和行業(yè)能夠比以前更容易獲得光束時(shí)間。

Scaling to lower laser pulse energy

研究人員目前正在努力降低激光脈沖能量，同時(shí)保留他們觀察到的優(yōu)勢(shì)，以使用給定的激光達(dá)到更高的電子能量，或使用較小的激光達(dá)到目標(biāo)電子能量。

該公司的創(chuàng)始人赫格利希（Hegelich）表示：“我們將與TAU Systems股份有限公司一起，在我們位于加利福尼亞州卡爾斯巴德的應(yīng)用中心，以更高的每秒100次的發(fā)射速度，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制”。赫格利奇和他的團(tuán)隊(duì)也在研究開發(fā)multi-kilohertz drive laser。