これは、レーザーに電力を供給するための最初のミニ粒子加速器です| 科学

20年の間に物理学者は、原子の粉砕機とX線源の役割をする巨大な機械的な粒子加速器を小型化するために努力してきました。 中国物理学者たちが、自由電子レーザー（FEL）と呼ばれる一種のレーザーに電力を供給するために、小さな「プラズマウェイクフィールドアクセラレータ」を使用することにより、これらの努力は、大きな進歩を遂げました。 12メートルの長さのFELはキロの長さの以前のモデルほど良くありません。 しかし、他の研究者たちは、この実験がミニ加速器の主要な開発を意味すると言います。

“多くの [scientists] この作業に参加していないローレンスバークレー国立研究所（Lawrence Berkeley National Laboratory）のレーザープラズマ物理学者Jeroen van Tilborgはこう言います。 新しいFELを研究したSIOM（Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics）の物理学者Ke Fengは、これ応用準備がされたと主張していません。 Fengは「これらのデバイスを流用して小型にすることが、常に我々の目標です。しかし、まだやるべきことがたくさんあります。」と言います。

粒子加速器は、生体分子や材料の研究のために基本的な粒子を爆発させ、強烈なX線ビームを生成する無数の科学分野の原動力です。 これらのアクセラレータは、長さがキロに達し、コストが10億ドル以上です。 これは、既存の加速器内での電子のような荷電粒子が非常に迅速にエネルギーを得ることができるからです。 密集した束にグループ化された粒子は、真空管を使用して圧縮されてマイクロ波と共鳴する空洞を通過します。 波がサーファーを推進するのと同様に、このマイクロ波は、電子をスライドさせて、エネルギーを増加させます。 しかし、マイクロ波の振動電場が強すぎた場合、有害な火花が発生します。 したがって、粒子は、共同1メートルあたり最大約100メガ電子ボルト（MeV）のエネルギーを得ることができます。

より短い距離で粒子を加速するには、物理​​学者たちは、より強い電界が必要です。 ヘリウムのようなガスにレーザ光パルスを発射することが、これを作成する1つの方法です。 光は、原子から電子を引き裂きガスを通過するイオン津波を生成し、非常に強い電界を生成する波打つ電子のスリップストリームを作成します。 そのウェイクフィールドは、電子をパー出してわずか数センチで1000MeVまで加速することができます。

ウェイクフィールドを活用しようとする物理学者たちは、非常に短く、強烈な電子爆発を作成することができていることを示しました。 しかし、バースト内でこのような電子のエネルギーは、一般的に、ほとんどの実際のアプリケーションについても多くの数パーセントずつ変わります。 今SIOM物理学者Wentao Wang、Fengおよび同僚は、プラズマ後流場加速器の出力を改善し、FELに電力を供給するなど、潜在的に有用なタスクを実行することができます。

FELの物理学者は、真空管の下にそしてオンデュル器と呼ばれるライン装置を介して電子を発射します。 オンデュル器内でビームパイプの上下の小さな磁石は、歯のように配置されており、隣接磁石の北極が上下に交互にあります。 電子がオンデュル器を通過するときのリップル磁場が、これら前後振っ光を放出します。 光が蓄積されて、電子の束と一緒に移動するにつれて、電子を押し出して、サブ束に分離し、協力して放出して光をレーザービームで増幅します。

2009年SLAC国立加速器研究所で公開された世界初のX線レーザーのLCLS（Linac Coherent Light Source）は、研究所の有名な3kmの長さの線形加速器で駆動されるFELです。 ヨーロッパと日本の研究者も大X線FELを構築しました。 しかし、SIOMチームは、3つの1.5メートルの長さのオンデュルレーター鎖を介してプラズマフリュー枚アクセラレータで電子ビームを発するFELを長い部屋に入るのに十分小さくしました。

これを可能にするために、SIOM物理学者たちは、電子のエネルギーの拡散を0.5％に減らされました。 彼らは電子の加速をよりよく制御するために、レーザーとガスターゲットを最適化することにより、成功したとWangは言う。 米国と欧州のチームは、特定のエネルギーの電子を除外するより複雑な計画を探索したが、SIOMチームは、より簡単なアプローチをとったvan Tilborgは言う。 「すべてがもう少し最適化されています。」と彼は言う。

他の人々は以前にオンデュル器からの光を引き出すために、プラズマウェークフィールドアクセラレータを使用していました。 しかし、Wangと同僚は、増幅を示しました。 光の強度が100倍に増加します。 第三オンデュル器で、彼らは今週報告します。 自然。 SLACの加速器物理学者Agostino Marinelliは「これは驚異的な進展」と言いました。

小さなFELは、他のX線源よりも数十億倍明るい光線を生成し、0.1％の低エネルギー拡散に大きな兄弟とは距離が遠い。 新しいFELは2％のエネルギー拡散により長い波長の紫外線の多くのかすかなパルスを生成します。 SLACの研究者はまた、毎秒数百万個のパルスを生成するようにLCLSをアップグレードしています。 新しいFELは、毎秒5つを生成することができます。

この装置でX線の波長に到達するのは難しいだろうとMarinelliは予測します。 「これは非常に印象的な結果であるが、これをx-線エネルギーでの外挿するために非常に注意することです。」 それでもSIOMチームは、それが彼らの目標と言います。 SIOM物理学者であり、チームのメンバーであるRuxin Liは、「ハードX線の波長に到達するためにどのくらいの時間がかかるは、おそらく10年以上がかかるとは言い難い」と言いました。 「私たちは、その日を楽しみにします。」