等离子韦克菲尔德加速里程碑

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研究人员在证明等离子体尾流场加速度的实用性方面达到了里程碑,将电子束提升到比在传统加速器中行进相同距离的能量高400到500倍。 /

加利福尼亚州门洛帕克 - 来自美国能源部SLAC国家加速器实验室和加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家们表示,一种有前途的加速等离子体波电子的技术足以有效地驱动新一代更短,更经济的加速器。这可以大大拓展它们在医药,国家安全,工业和高能物理研究等领域的应用。

这一成就是展示等离子尾流加速的实用性的一个里程碑,电子通过冲击电离气体中的电子波来获得能量。

研究人员利用美国能源部科学用户设施办公室的先进加速器实验测试(FACET)进行高级加速器实验测试(FACET),将电子束提升至比传统加速器达到相同距离的能量高400至500倍。同样重要的是,能量比以前的实验更有效地传递给电子。这种能源和效率的重要组合从来没有达到过。结果在今天发表在“自然”杂志上的论文中有所描述。

“加速器的许多实际方面取决于粒子加速的速度,”SLAC加速器物理学家Mike Litos说。 “为了把这些结果放在上下文中,我们现在已经表明,我们可以使用这种技术将电子束加速到与2英里长的SLAC直线加速器在20英尺内完成的能量相同。”

加速器物理学家35年来一直关注等离子体尾场,作为驱动未来更小,更便宜的加速器的更有前途的方法之一。加州大学洛杉矶分校和SLAC小组在超过十年的时间里一直处于等离子体尾流场加速研究的前沿。在2007年的一篇论文中,研究人员宣布他们将电子束从长达420亿电子伏特加速到850亿电子伏特的尾端加速,引起了科学界极大的兴奋。然而,脉冲中的180亿个电子中只有不到10亿实际上获得了能量,并且它们具有广泛的能量分布,使得它们不适用于实验。

在这个实验中,研究人员将含有50亿至60亿个电子的电子束对分别送入激光生成的热等离子体电炉内的等离子体柱中。每对中的第一束是驱动器串;它将所有自由电子从锂原子上轰出,留下带正电荷的锂核 - 一种被称为“爆炸状态”的结构。被轰击的电子然后落回第二束电子后面,称为尾随电子束,形成一个“等离子体尾流”,推动后面的束向更高的能量。

; SLAC的研究人员解释了他们如何使用等离子体尾场在短距离内将电子束加速到非常高的能量。他们的实验为粒子加速器的未来提供了一条可能的途径。 /

一种高效可行的技术

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爆炸范围的高能量,在那里可以找到最大效率的最大能量增益。同样重要的是,加速电子的能量传播相对较小。

“这些结果除了成功的实验外还有其他意义,”SLAC加速器物理学家兼实验的主要研究人员之一Mark Hogan说。 “采用两束配置实现井喷机制使我们能够将加速效率提高到最高50% - 足以证明等离子体尾流加速对于未来的加速器是一项可行的技术。”

实验中使用的等离子体源由加州大学洛杉矶分校的海王星高级加速器研究中心主任Chandrashekhar Joshi领导的科学家团队开发。他是该研究的UCLA首席研究员,加州大学洛杉矶分校Henry Samueli工程与应用科学学院的教师,也是SLAC集团的长期合作者。

Joshi表示:“很高兴看到加州大学洛杉矶分校与SLAC在等离子尾流场加速方面的合作通过系统化的实验工作逐步解决看起来棘手的问题。” “正是这种变革性的研究吸引了这个领域中最优秀和最聪明的学生,他们必须有像FACET这样的设施来实施它。”

本动画解释了如何使用等离子体中产生的离子将电子有效地加速到高能量。 /

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未来还有更多里程碑。 Hogan表示,在等离子体尾流场加速可以使用之前,尾随的束必须成形并且间隔恰到好处,以使束中的所有电子都能够完全提升能量,同时保持电子束的高整体质量。

“我们已经为我们裁剪了我们的工作,”Hogan说。 “但是,你没有很多机会进行研究,事先知道这些研究有可能在科学和实际上都获得巨大的回报。”

在实验中使用的计算机模拟是由加州大学洛杉矶分校的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DOE科学办公室资助。

出版物:M. Litos等人,“等离子体尾场加速器中电子束的高效加速,”Nature,515,92-95 (2014年11月6日); doi:10.1038 / nature13882

来源:SLAC国家加速器实验室

图像:SLAC国家加速器实验室

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