Wakefield激光加速器 - 能量里程碑

Texas Petawatt Laser进行实验时，他们的Wakefield激光加速器有所不同：添加铝纳米粒子可以提升电子能量。Wakefield laser accelerator粒子加速器，它使用高功率激光在气体靶中产生等离子体。当激光穿过等离子体时，它在尾部留下一个波，类似于湖面上的船。该波是一个小面积的强电势梯度，可加速等离子体尾场加速器中的带电粒子。

图1：艺术家对尾流场过程的渲染。超强红外激光脉冲（红色）拖动其后的三维等离子体尾流。电子在第一个气泡的后面被注入到这个尾流中，并在激光脉冲的驱动下加速。

由The University of Texas at Austin物理学副教授比约恩·“曼努埃尔”·赫格利希（Bjorn “Manuel” Hegelich）领导的国际研究小组最近展示了一种长度不到20米的小型粒子加速器，该加速器产生的电子束能量为100亿电子伏特（10 GeV）。

美国只有另外两个加速器能够达到如此高的电子能量，它们都长约3公里。在德克萨斯州规模的突破中，该团队的激光加速器可以在10厘米内实现这些能量（产生光束的腔室大小）。

激光如此强大，以至于它们可以瞬间使电子发生相对论性变化，这令赫格利希着迷。换句话说：任何暴露在激光下的电子都会根据最著名的物理方程E=mc^2立即获得其静止质量能量——在极快的飞秒内。

“一飞秒与一秒的对比，就像一秒与宇宙年龄的对比一样，所以是瞬间发生的，”赫格利希说。“如果你进一步提高激光强度，你就会开始进入量子效应，并有关于我们可能如何使用它来测试量子引力的想法。从基础物理学的角度来看，这是一个非常有趣的领域，值得探索。”

从实际出发，赫格利希受到了可能产生实际影响的驱动。“第一批计算机是楼房大小的机器，在当时可以做惊人的事情，”赫格利希说。“但是，一旦我们弄清楚如何使它们小到每个人都可以拥有，计算机就开始产生真正广泛的影响。几十年来，加速器和由加速器驱动的X射线源一直是我们最强大的研究工具。但是，如果我们使获取途径民主化，使它们足够小、足够紧凑，以至于无处不在，我们就可以充分发挥它们的潜力。”

Wakefield laser accelerators

Wakefield激光加速器的概念（见图1）早在1979年就首次被描述：一束极其强大的激光击中氦气，将其加热成等离子体，并产生波，将电子从气体中踢出，形成高能电子束。

在我们基本的设置中，我们有一个气室或喷气式发动机，用氦气、氢气或一些混合气体填充，“赫格利希说。“超强激光穿过气体，使其电离，并转化为等离子体。激光脉冲拖动等离子体波，就像船在湖面上拖动尾迹一样（见图2）。电子可以在尾迹上冲浪，被拖动并获得能量，并加速。

图2. 电子加速的等离子体室。氦气和铝纳米粒子从底部注入，德克萨斯州皮塔瓦特激光器从右侧进入，电离气体/纳米粒子混合物，并产生三维等离子体波，即加速电子的“尾流场”（a “wakefield” that accelerates the electrons）。

这些激光场非常强，所以波也很强，电子被加速得很厉害。“在我们的例子中，我们用金属（铝）纳米粒子来填充这个装置。当激光电离它们时，许多电子被注入波中，所以我们能得到更多的电荷。由于这种多余的电荷，我们还可以保持加速更长时间——甚至达到更高的能量。”

当他们预计使用纳米粒子时（基于之前在较小的激光器上的结果），能量扩散范围较小，能量较高，电荷较低，但结果却令人震惊，电荷提高了5倍。

“一旦我们开始用德克萨斯州的大型皮瓦激光器试验，我们立刻发现情况与以前有所不同——它们非常不同，”赫格利希说。“10年来，我们一直试图增加电子能量，但没有取得多大成功；我们被困在2 GeV左右。一旦我们使用纳米粒子，能量就高得多，我们得到了更多的电子。

这只是一个开始——现在他们已经展示了原理。下一步：精确控制。赫格利希（Hegelich）说：“很大一部分涉及激光工程，以开发具有更高发射率的激光器，等离子体工程以实现精度，软件工程以实现更好的反馈和控制。”。“这将使我们达到10 GeV的结果真正适用，并使其能够应用于半导体计量和生产、空间物理学以及癌症治疗和诊断。

Texas Petawatt Laser需要资金

该团队演示的主要挑战是，德克萨斯州皮塔瓦激光器每天只能试验四到五次，而且它们不一定都能按照预期的方式工作。

“激光参数，如能量、脉冲持续时间或焦斑大小，可能会波动很大，因为系统的部分组件已经相当陈旧，”赫格利希解释道。“其他部分是新的和升级的，但主要放大器（见图3）来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室旧的Nova激光器，该激光器于1999年退役，所以我们通常每天只能得到一两次好实验结果，总体统计数据相当差。我们想确保结果可重复，所以在两年内进行了三次实验活动以获取数据（见图4）。

图3： Texas Petawatt Laser system激光器的放大器级之一。

该团队可以重建德克萨斯州皮塔瓦特激光器（小型化），将目前的激光器升级为每分钟试验一次，而不是每隔几个小时试验一次。遗憾的是到目前为止，这项升级还没有得到资助。

Wide range of applications ahead

在短期内，在较低的能量下，该团队的技术可能会在半导体计量学中应用于新型3D芯片设计的三维（3D）成像（semiconductor metrology for 3Dimaging of new 3D chip designs）。“它还将应用于空间电子设备的辐射测试，”赫格利希（Hegelich）说。“健康是另一个关键领域——我们的激光技术在治疗学中有需求，我们将看到用于癌症的极高能电子疗法，在诊断学中，它能够实现新的方法，如X射线诱导的声学计算机断层扫描。”

一个巨大的潜在应用是激光驱动的X射线自由电子激光器（XFEL），如斯坦福大学的直线加速器相干光源或汉堡大学的欧洲XFEL，它需要>10 GeV的电子束来驱动它。

目前，全球只有少数几台这样的机器，这意味着使用它们的权限和可用时间有限。“硬X射线自由电子激光是终极的X射线显微镜，在空间和时间上实现了分子分辨率，因此它们将成为从材料科学到生物学、化学等各个领域的前沿研究工具，”赫格利希说。“它们将使新电池、太阳能电池、设计药物、疫苗、药物和其他数百个行业的研究成为可能。”

该团队的技术可以将 XFEL 从园区尺寸缩小到实验室大小，这样每个大型大学甚至公司都可以拥有一个，他补充道。使更多研究人员和行业能够比以前更容易获得光束时间。

Scaling to lower laser pulse energy

研究人员目前正在努力降低激光脉冲能量，同时保留他们观察到的优势，以使用给定的激光达到更高的电子能量，或使用较小的激光达到目标电子能量。

该公司的创始人赫格利希（Hegelich）表示：“我们将与TAU Systems股份有限公司一起，在我们位于加利福尼亚州卡尔斯巴德的应用中心，以更高的每秒100次的发射速度，对该机构进行精确控制”。赫格利奇和他的团队也在研究开发multi-kilohertz drive laser。