新型激光驱动装置：介质激光加速器产生聚焦电子束

美国相关人员开发了一种新型激光驱动装置，可以在大概一毫米的距离内限制和加速电子。Payton Broaddus 及其斯坦福大学的同事表示，通过结合纳米科学、激光和真空技术的进步，他们开发出了迄今为止性能最高的介电激光加速器 (DLA)。

除了将电子等带电粒子驱动到高动能之外，有用的加速器还必须能够将粒子限制在窄束中。此外，光束还必须尽可能接近单能。

在现代设施中，这通常是使用涂有铜或最近涂有铌等超导体的射频 (RF) 腔来完成。当受到强大的射频信号驱动时，这些谐振腔会产生非常高的电压，以非常特定的能量加速粒子。然而，以这种方式所能达到的最大粒子能量存在物理限制。

“电磁场太大可能会损坏[腔]壁，从而毁坏机器，”布罗德斯解释道。“这是目前所有传统加速器的一个主要限制，并将安全加速梯度限制在每米数十兆电子伏特。” 事实上，这就是加速器为了获得更高的粒子能量而不断变得更大、更昂贵的主要原因。

替代加速器设计

为了创造更紧凑的设备，世界各地的研究人员正在探索各种替代加速器技术，目标是在最短的距离内实现尽可能高的加速梯度。

DLA 是一项很有前途的技术，它最初设想于 20 世纪 50 年代。DLA 不是将射频信号定向到导电腔，而是通过介电材料内的微小通道发射激光。这会在通道内产生交变电场，充当谐振腔。通过优化空腔的纳米结构并仔细计时电子通过通道的时间，粒子被加速。

虽然这种设置的物理原理与更传统的加速器设计大致相似，但它提供了更高的加速梯度。这可以用来缩小加速器的尺寸——至少在原则上是这样。

Broaddus 解释说：“这些电介质能够承受激光的场比铜能够承受射频波的场高一到两个数量级，因此从理论上讲，加速度梯度可以高出一到两个数量级。” 然而，他指出，将腔体宽度缩小六个数量级会带来挑战，包括如何将电子限制在束流中，而不是让它们撞到腔壁上。

现在，布罗德斯和同事利用三项技术进步来应对这一挑战。这些是创造非常精确的半导体纳米结构的能力;能够产生具有稳定重复率的明亮、相干飞秒激光脉冲;以及在毫米长的半导体腔内保持超高真空的能力。

新的纳米结构和脉冲

通过仔细设计纳米结构并使用特殊形状的激光脉冲，该团队能够在新腔内产生电场，将电子聚焦成光束。

这使得该团队能够将受限电子束加速到 0.708 毫米的距离，将其能量提高 24 keV。“与之前的加速器相比，这两个品质因数都提高了一个数量级，”Broaddus 解释道。

基于他们的最新成果，该团队相信 DLA 可以极大地提高研究人员获得亚相对论电子能量的能力。“DLA 现在可以被视为一种实际的加速器技术，我们可以从我们的设备中提取传统的加速器参数，并可以与其他加速器技术进行比较，”Broaddus 解释道。

反过来，这些改进可以为基础物理学的新发现铺平道路，甚至可能为工业和医学等领域带来新的好处。

来源：激光网