美激光等离子加速器输出高质量高能电子束

激光等离子加速器(LAPs)被称为“桌面加速器”，因为它的加速腔的长度可以用厘米而不是千米来测量。近年来，由于技术的快速发展，科学家们有望开发出新型实用的激光等离子体加速器。与今天的传统加速器相比，激光等离子加速器不仅成本非常低，而且对土地和环境的影响也小得多。

“图”是非常不同的

激光等离子体加速器的研究已经进行了多年，并取得了可喜的进展。2004年，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室激光与光学加速器系统综合研究项目的科学家首次展示了窄发散能量激光等离子体加速器的电子束。2006年，他们首次将电子能量增加到10亿电子伏特。

传统的带电粒子(例如，电子)加速器是通过连接多段真空金属腔形成的。施加到空腔上的振荡电磁场使得被束缚在空腔中的带电粒子逐步加速。导致带电粒子加速的主要因素是磁场加速梯度，以伏特每米表示。一般来说，带电粒子输出的能量越高，加速器就越长，因此加速器的长度可以达到几公里。

激光等离子加速器是不同的。激光等离子加速器是由激光与光学加速器系统综合研究项目的科学家开发的，它能产生10亿电子伏的电子束，可以放在手掌上，长度只有3.3厘米。当强激光将脉冲聚焦在加速器中的*电子和正离子上时，其辐射压力导致电子和离子分离，从而产生高强度的加速梯度。一些电子跟在激光脉冲后面，一些几乎同时达到近光速。在短距离内，激光等离子加速器可以保持每米几千亿伏特的加速梯度，这是传统加速器无法比拟的。

特性测量很困难。

然而，激光等离子体加速器独特的电子加速方法和飞秒电子脉冲的产生给测量技术带来了困难，目前人们无法测量激光等离子体加速器产生的高能电子束的质量。

现在，由于劳伦斯柏克莱国家实验室加速器和聚变研究部的科学家威姆·李曼斯领导的研究小组，测量问题正逐步得到解决。李曼斯负责一个关于激光和光学加速器系统的综合研究项目。他领导的研究团队拥有理论家、计算机模拟专家和优秀的实验室人员，他们不断提高激光等离子加速器的性能。在研究团队中，许多学生为研究做出了重要贡献并获得了博士学位。例如，法国一所综合工程学院的研究生纪尧姆·普拉托(Guillaume Prato)在该项目的博士论文中研究了与激光等离子加速器产生的X射线相关的辐射，目前正在加州大学做博士后研究。

发射率至关重要。

激光等离子体加速器产生的短电子束需要新的测量技术来了解其特性，而最具挑战性的性能参数是发射度。卡梅伦·格德斯(Cameron Gerdes)是普拉托(Prato)激光和光学加速器系统综合研究项目的研究员，他说发射度指的是电子束聚焦的质量。低发射率意味着电子的速度方向不会随机散射，但是它们几乎沿着磁力线的方向移动。

在实验开始时，发射度不是研究的重点。李曼斯说，最初，研究小组与德国重离子研究中心建立了合作关系，以获取与电子束相关的x光脉冲波图像。该中心的科学家将先进的商业相机带到劳伦斯·伯克利实验室，帮助研究人员获得所需的图像。他们被看到的结果所鼓舞，所以他们想知道这些图片还能做些什么。

实验室项目部的研究员马可·巴塔格利亚立即提供了一种更先进的照相机，它使用劳伦斯·柏克莱实验室的坚固而灵敏的电荷耦合器件来获得更好的图像。李曼斯认为，尽管他们不是第一个用激光等离子加速器进行x光成像的人，但由于新相机的成像质量，他们第一次有能力理解激光等离子加速器产生的x光光谱。

格德斯解释说，电子束的发射度可以通过束的大小和发散角来测量。传统的方法是直接测量线扫描器对加速器产生的电子束的发射度。然而，这种方法可以破坏低发射率的电子束。此外，在激光等离子加速器中，强激光会破坏测量设备。

x光给出了答案。

为了解决电子束发射度测量的难题，研究小组采用磁场偏转激光等离子体加速器电子束的方法来测量电子束的能量，同时利用加速器产生的X射线信息来计算电子束的发射度。为此，他们使用了x光摄谱仪。

格斯说，在等离子体中，激光尾场加速了电子束。借助于x光成像，他们找到了一种测量等离子体中电子束质量的方法。x射线是电子感应加速辐射的结果，加速辐射是由电子束中激光脉冲后的加速“气泡”引起的。当电子束集中在“气泡”中时，它们来回摆动。这种电子引起的加速振荡发射出前向X射线，其特征是密集、明亮和超短。

激光束、电子束和x光都在同一个方向传播。为了不受干扰地测量X射线，研究人员首先偏转电子束。然而，箔片反射镜用于反射激光，并且只有X射线脉冲穿过箔片反射镜并进入能够测量每个X射线辐射量并计算其能量的电荷耦合照相机。尽管照相机离加速器有5米远，但照相机捕获的密集电子感应加速辐射脉冲的频谱包含了测量电子束半径的必要信息。

格尔德斯说，通过将测量的X射线光谱与理论预测进行比较，他们确定了实验中电子束的半径为0.1微米，比之前任何实验中获得的半径都要小，同时也帮助他们估算了电子束横截面的发射度，即每千分之一弧度0.1厘米。

Gerdes补充说，激光等离子体加速器电子束的横向发射率可以与先进的*电子激光器和伽马射线源常规加速器相媲美。他们完成的许多模拟表明，发射度取决于电子在涨落中束缚的特殊方式，这为将来进一步降低发射度奠定了基础。

科学家认为，未来的激光离子加速器既可以用作基础物理研究的小型高能对撞机，也可以用作小型光源。它们可以用来检测从人工光合作用到“绿色分析”的化学反应；了解显微镜无法观察到的独特生物结构，这对理解生命和健康非常重要。分析了有望给电子工业带来革命性变化的新材料，包括低温超导性、拓扑绝缘体、自旋电子元件和石墨纳米结构。毫无疑问，激光等离子体加速器产生的高密度光束，其光谱范围从微波到伽马射线，可以为科学发展开辟新的领域。