[科技] 激光等离子体加速器刷新纪录


  伯克利实验室激光加速器(Berkeley Lab Laser Accelerator,BELLA)


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  文/ YC Zhang(微信公众号: 赛先生)


  研究者利用世界上最强大的激光器对亚原子粒子进行加速,使其达到了打破小型加速器纪录的最高能量状态。


  美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Lab,BerkeleyLab)研究组利用petawatt激光和等离子体加速粒子。该装置称之为激光等离子体加速器(laser-plasma accelerator),科学家相信该装置将把几英里长的传统加速器缩小到桌面大小。


  研究者将粒子置入9厘米长的等离子管中,使其加速到4.25GeV。在如此短的距离内,粒子获得的能量是传统粒子加速器的1000倍,刷新了激光等离子体加速器的加速纪录。


  伯克利实验室加速器技术与应用物理部门(Accelerator Technology and Applied Physics Division)带头人、论文的第一作者Wim Leemans博士说道:“这是精确控制激光与等离子体的结果。”此研究发表于Physical Review Letters杂志。


  传统粒子加速器体积巨大,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)直径17英里,通过调节金属腔内的电场对粒子进行加速,其加速上限为每米100MeV。


  激光等离子体加速器采用了不同的方法。在实验中,一束激光被注入装有等离子体且又短又细的中空管中,激光在等离子体中形成通道和捕捉电子的波,并将电子加速到高能状态。这与冲浪者从波浪表面滑下以增大速度的原理类似。


  通过使用伯克利实验室激光加速器,研究人员刷新了粒子加速的世界纪录。自2014年起,BELLA已经得到了10的15次方瓦特的高能粒子。


  伯克利实验室物理科学部门实验副主任James Symons博士说:“此次Leemans博士和他的团队取得了卓越的成就,他们第一次操作BELLA就刷新了纪录。”


  BELLA不仅激光能量威力惊人,而且在操作的精确性上也声名卓著。“在14米以内,我们将激光的直径控制在500微米以内。”Leemans说,“我们可以很好地使用BELLA,因为它发出的激光稳定性很高。” Leemans表示,激光脉冲在射出后一秒内,就会衰减到原来的百分之几。他补充道:“如果激光束足够多,就可以避免这一问题。”


  由于能量太高,研究者需要了解各种因素分别如何影响实验结果。他们在美国国家能源研究科学计算中心(National Energy Research Scientific Computing Center,NERSC)进行计算机模拟实验。“小小的改变都会带来巨大的变化。”伯克利实验室加速科技与应用物理部门资深科学顾问Eric Esarey说道,“我们正在向更好的控制加速器的研究方向迈进。”


  为了将粒子加速到更高的能量(Leemans团队的近期目标是10GeV),研究者需要更精确地操控等离子体通道的浓度。也就是说,研究者需要创造出构造更合适的通道以处理能量更高的电子。Leemans说,他们将在未来的工作中展示关于等离子体通道构造的新技术。


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科技 激光 等离子体 加速器 刷新纪录 伯克利

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