激光等离子加速器最高效运行的最佳条件 17.09.2017

传统的电子加速器早已成为科学仪器的主要类型之一，同步加速器和自由电子激光器产生的极强和极短的辐射脉冲使科学家能够研究原子尺度上发生的物质和过程。 但即使是最小的电子加速器现在也占据了相当于一个足球场的面积。

传统电子加速技术的一种替代方法是激光-等离子体加速方法，该方法通过小尺寸的加速器，可以获得一束加速后的高强度电子束。 但是这种类型的加速器有一个缺点——在它们的帮助下，很难获得具有稳定亮度的稳定电子束。 德国研究中心 HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) 的物理学家解决了这个问题，他们设法确定了一些参数，为激光等离子体电子加速器创造最佳操作条件。

激光等离子体加速技术的原理很简单，一束强大的激光束聚焦在气体介质中，在它的影响下变成等离子体，变成物质的电离状态。 激光束的能量使电子离开它们的“原生”原子，从而在等离子体体积中产生一种强电场的“气泡”。 这个跟随激光脉冲的电场区域是一种几乎以光速传播的波。 而被困在这波波峰上的电子也几乎被加速到光速。 将这些电子暴露在额外的激光脉冲下会产生明亮且超短的 X 射线脉冲，借助这些脉冲，科学家可以“透视”各种材料的研究样本。

二次 X 射线辐射的强度直接取决于参与此过程的高能电子的数量。 然而，当大量电子被加速时，等离子体波由于与这些电子及其电场相关的效应的影响而衰减，进而对束的形状产生不利影响。 光束的扭曲形状和等离子体波的不稳定性导致光束包含具有不同能量水平和其他参数的电子。

物理学家 Jurjen Pieter Couperus 说：“但为了能够将电子束用于高精度实验，需要由具有相同参数的电子组成的稳定束，”束中的所有电子都必须处于正确的位置。在正确的时间放置。”

HZDR 的科学家们开展了许多旨在提高激光等离子体加速器产生的电子束质量的工作。 他们发现，向用于制造等离子体的氦气中加入少量的氮可以大大改善这种情况。 “我们可以通过改变氮的浓度来控制等离子波中的电子数量，”Jurien Peter Kuperus 解释说，“在我们的实验中，我们发现理想的情况是等离子波携带的电子的总电荷正好为 300皮库仑。即使在任何方向上与该值的最小偏差都会导致能量耗散，从而降低生成光束的质量。

进行的计算表明，为了产生一个高质量的，仍然需要在等离子体波峰上的电子运动峰值电流至少为 50 千安。

“使用 DRACO 拍瓦激光器的超短脉冲，我们将能够以 150 千安的峰值电流产生高质量的电子束，”Jurien Peter Kuperus 说，“这将超过所有现代大型电子加速器的能力多达两个数量级。这将使我们能够创建非常紧凑的下一代 X 射线源”。