整个曼哈顿岛都可以容纳在瑞士欧洲核子研究中心粒子加速器近九英里的巨大环路内。当然,该设备的目的在于重现宇宙大爆炸的条件,考虑到它所产生的一切——我们的宇宙、行星、地球上的生命——它的尺寸是合理的。但是,对于更适度的应用,例如生物学家想要确定分子的结构,或肿瘤学家想要对癌症患者使用放射疗法时,则需要更小的装置。法国帕莱索光学应用实验室的一组研究人员在明天的《自然》杂志上报告说,他们已经开发出一种稳定的“桌面式”粒子加速器的机制,该加速器大约30米长,可以完成这些类型的任务。
由维克多·马尔卡(Victor Malka)和杰罗姆·福尔(Jerome Faure)领导的团队,在他们和另外两个来自伦敦大学学院和劳伦斯伯克利国家实验室的小组于2004年秋季宣布的“等离子体尾场加速”突破性技术中增加了一个转折。这个原理涉及等离子体,在这种情况下,是指最近从氦原子中分离出来的离子氦原子和电子的混合物。让激光脉冲穿过氦气会产生等离子体,以及自由电子离开其轨迹时产生的尾流。根据南加州大学的电物理学家汤姆·卡特苏利亚斯(Tom Katsouleas)的说法,他在本周《自然》杂志上发表了一篇评论文章,这“很像快艇在水中穿过”。他补充说,“尾流可以获得如此大的幅度,以至于它‘破裂’。”此时,一些松散的电子将随波移动,然后尾流中的电力会将其加速到接近光速。结果,电子束可以在一毫米内达到1亿电子伏特的能量,卡特苏利亚斯声称,这“比传统的射频波驱动的加速器短1000倍”。(然而,传统的加速器可以将电子提升到数万亿电子伏特的能量。)不幸的是,这也导致了不稳定的光束;最终能量可能会发生巨大变化。
马尔卡和福尔通过引入第二个与第一个激光脉冲逆向运行的激光脉冲,纠正了这个缺点。这个光束触发了被等离子波捕获的电子的注入。正如卡特苏利亚斯所说,这种方法使研究人员能够“精确地控制电子‘冲浪’等离子波的方式”。因此,该团队创建了一个所有电子都具有相同能量的光束。除了突然稳定的光束之外,马尔卡还指出,加速电子的最终光束的参数是完全可调的——在 50 到 250 兆电子伏特的范围内。“例如,”他解释说,“只需改变两个激光脉冲之间的延迟,就可以非常容易地改变电子能量。”物理学家还可以通过调整激光器来控制光束中的电子数量。
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卡特苏利亚斯指出了碰撞脉冲注入方法的唯一缺点:当只有一个光束能够从等离子体中自我注入电子时,第二个激光器无法注入那么多电荷。可以加速的电荷量约为几十皮库仑,这只有没有第二个激光器时可能达到量的十分之一。但是,他坚持认为,对于该加速器的大多数既定用途,这些电荷是足够的,这些用途从医学到材料科学再到航空航天工程。马尔卡表示,他的团队的下一个目标是利用这种新的高质量、高电流技术,从自由电子激光器中开发出 X 射线束。他认为这项发展将导致更多的资金和资源来实现这一目标。“当然,这条路很长,”他谈到高场物理学时说。“我们正在一步一步地前进。”