激光“钻孔”在激光驱动电子加速方面创造新世界纪录

美国能源部(DOE)所属的劳伦斯伯克利国家实验室近日在其官网发文称，科学家将第一个激光脉冲加热并通过等离子体进行“钻孔”，科学家将粒子置入几十厘米长的管中，几乎使以前的激光驱动粒子加速记录翻了一倍。 1@W*fVn  
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在劳伦斯伯克利国家实验室进行的激光等离子体实验正在推动更紧凑和更经济的粒子加速，为高能机器提供动力 - 如X射线自由电子激光器和粒子碰撞器 - 可以让研究人员更清楚地看到分子、原子、甚至亚原子粒子的尺度。 dn}'B%  
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在伯克利实验室激光加速器（BELLA）中心使电子加速到7.8 GeV的新纪录，超过了BELLA 在2014年宣布的4.25 GeV结果。最新研究详见2月25日的《物理评论快报》期刊。记录结果是在2018年夏天实现的。 !}pvrBS  
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该实验使用了极其强烈和短的“驱动”激光脉冲，每个脉冲的峰值功率约为850万亿瓦特，并且脉冲长度约为35千万亿分之一秒（35飞秒）。峰值功率相当于同时点亮大约8.5万亿个100瓦的灯泡，尽管灯泡只能点亮几十飞秒。 o@4
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每一个强烈的激光脉冲都会产生一股沉重的“kick”，在等离子体内产生一股波 - 这种气体已被加热到足以产生带电粒子的气体，包括电子。电子顺着等离子体的波峰，就像顺着海浪的冲浪者一样，在20厘米长的蓝宝石管内达到破纪录的能量。 !<#,M9 EA&  
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“仅仅制造大型等离子体波是不够的，”最新研究的第一作者Anthony Gonsalves指出。“我们还需要在20厘米管的整个长度上创建这些波，以便将电子加速到如此高的能量。” *mtS\J  
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要做到这一点，需要一个等离子通道，它将激光脉冲限制在与光纤通道光线相同的方式。但与传统光纤不同，等离子体通道可以承受加速电子所需的超强激光脉冲。为了形成这样的等离子体通道，需要在中间使等离子体密度较小。 >,}SP;  
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在2014年的实验中，放电用于产生等离子体通道，但为了达到更高的能量，研究人员需要等离子体的密度分布更深 - 因此它在通道中间密度较小。在之前的尝试中，激光失去了紧密的焦点并损坏了蓝宝石管。Gonsalves指出，即使激光束聚焦的较弱区域 - 即所谓的“翅膀” - 也足以用先前的技术破坏蓝宝石结构。 wx[Y2lUh6  
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BELLA中心主任Eric Esarey表示，这个问题的解决方案受到了20世纪90年代的一个想法的启发，即使用激光脉冲加热等离子体并形成通道。这项技术已被用于许多实验，包括2004年伯克利实验室的努力，产生了高达100 MeV的高质量光束。 6TkV+\  
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参与最新工作的团队和2004年的团队和均由前ATAP和BELLA中心主任Wim Leemans领导，他现在在德国的DESY实验室工作。研究人员意识到，将两种方法结合起来 - 将加热器束放在微管中心 - 可进一步加深和缩小等离子体通道。这为实现更高能量的光束提供了前进的道路。 m[8?d~  
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在最新的实验中，Gonsalves表示：“放电使我们能够精确控制加热器激光脉冲的等离子体条件。放电时间、加热器脉冲和驱动脉冲是至关重要的。” $3)Z>p  
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这种组合技术从根本上改善了激光束的限制，保留了激光束的强度和焦距，并且当它穿过等离子管时，其光斑尺寸或直径仅限于几十分之一米。这使得能够使用较低密度的等离子体和较长的通道。之前的4.25 GeV记录使用了9厘米的通道。 &Fy})/F3v  
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该团队需要新的数值模型（代码）来开发该技术。包括伯克利实验室，俄罗斯Keldysh应用数学研究所和捷克共和国ELI-Beamlines项目在内的合作改编并整合了多个代码。他们将在Keldysh研究所开发的MARPLE和NPINCH结合起来，模拟了通道的形成; 在BELLA中心开发的INF和RNO用于模拟激光 - 等离子体相互作用。 -a\[`JHi  
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INF＆RNO的首席开发人员Carlo Benedetti表示：“这些代码帮助我们快速了解了最大的不同之处 - 能够实现指导和加速的因素是什么。” 他指出，一旦显示的代码与实验数据一致，就可以更容易地解释实验。 tLSM]Q  
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Gonsalves称：“现在正处于模拟可以引导并告诉我们下一步该做什么的时刻。” 7;r Jr&.)  
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Benedetti指出，代码中的繁重计算利用了伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心（NERSC）的资源。未来推进更高能量加速的工作可能需要更加密集的计算，这种计算接近称为百亿亿次计算的制度。 M T]2n{e  
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Esarey则表示：“今天，产生的光束可以产生和捕获正电子。”他指出，BELLA的目标是在电子加速中达到10 GeV能量，未来的实验将针对这个阈值甚至更高。他表示：“未来，电子加速的多个高能阶段可以耦合在一起，实现电子 - 正电子对撞机，以新的精度探索基础物理。” hZwJ@ Vm#  
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加州大学伯克利分校和俄罗斯国家核研究大学的研究人员也参与了这项研究。这项工作也得到了能源部科学办公室，亚历山大·冯·洪堡基金会和国家科学基金会的支持。 88g|(k/  
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原文链接：https://newscenter.lbl.gov/2019/02/25/laser-drill-sets-a-new-world-record-in-laser-driven-electron-acceleration/