密歇根大学研究人员最近领导的一项研究显示，通过调整实验方法，首次实现了通过激光尾场加速器沿弯曲轨迹对电子加速的“单次”诊断。该研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

这种基于光学的技术可以帮助工程师开发更强大的电子加速器，用于量子和粒子物理的基础研究，或开发更紧凑的加速器用于医学和工业。

与长达数公里的传统加速器相比，激光尾流场加速器每米可施加 1000 倍的能量，因此设计更为紧凑，可放入大房间。

该装置通过蒸汽发射激光，产生电离等离子体，然后将电子从离子中分离出来，形成“尾流场”，类似于船在水中行驶时留下的尾流。然后，它将电子束注入加速器，加速器在尾流上“冲浪”，迅速获得能量。

“激光等离子加速器发射出的粒子束持续时间非常短，光穿过一根头发的宽度所需的时间还短。整个加速过程非常快，时间尺度为万亿分之一秒，因此测量起来非常困难，”密歇根大学核工程与放射科学、电气工程与计算机科学和物理学教授、这项研究的资深作者亚历山大·托马斯 (Alexander Thomas) 说。

到目前为止，电子加速过程已经通过多次实验运行进行测量，称为多发模式，但这些方法依赖于加速器的稳定性和可重复性 - 为实验之间的变化留出了空间。

“精确诊断电子加速过程对于最大化电子能量增益至关重要。这可能是推动未来用于理解自然基本定律的太伏特 (TeV) 级轻子对撞机发展的关键一步，”托马斯说。

研究团队在加拿大魁北克国立科学研究所先进激光光源的激光尾场加速器实验中，完成了单次电子加速诊断。

该技术依赖于激光尾场加速过程中发生的一种被称为“回旋加速器 X 射线辐射”的现象，其中电子在横向振荡时在电磁波谱的 X 射线区域发射高能光子。

密歇根大学核工程与放射科学助理研究员、本文通讯作者马勇表示：“在我们的工作中，我们利用等离子体密度斜坡来控制强激光，使得激光遵循弯曲的轨迹，就像在激光尾流中加速的电子束一样。 ”

电子发射的光子总是沿着其瞬时轨迹的切线方向运动，因此，不同时刻发射的光子在屏幕上出现的角度不同，空间位置也不同。

光子的性质，即光子能量和角度分布，完全由电子束的性质决定。因此，通过测量空间分辨光子的性质，研究人员能够从单个实验中拼凑出电子加速过程。

“七年前我们就有了使用所谓的‘回旋加速器条纹’技术的基本想法，并且我们用数值模拟证明了它的可行性。基于数值模拟进行实验并获得预期的实验结果是一次非常令人兴奋和有趣的经历，”马说。

“这是一个伟大的成果，可以为详细了解激光等离子体加速器开辟新的途径，”该研究的资深作者、提供理论支持的亥姆霍兹耶拿研究所的丹尼尔·塞普特博士说。

研究结果可应用于激光束和粒子传播的先进控制，例如开发用于耦合多级激光尾场加速器的弯曲等离子体通道。

多级尾流场加速器将克服单级加速器的能量限制，使粒子获得更高的能量。这些高能量可用于量子力学实验，类似于欧洲核子研究中心大型强子对撞机上进行的实验，但规模较小，成本较低。

除了量子探索之外，多级激光尾场加速器最终还可以应用于癌症治疗中的靶向肿瘤破坏或在工业环境中切割热损伤有限的材料。

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