激光等離子加速器（LAPs）因其加速空腔的長度可用厘米而不是公里（千米）來計量而被稱為“桌面加速器”。近年來，由于技術的迅速發(fā)展，科學家有望開發(fā)出新型實用的激光等離子加速器。與當今傳統(tǒng)的加速器相比，激光等離子加速器不僅造價十分低廉，而且對土地和環(huán)境的影響要小得多。

    “體形”差異甚大

      激光等離子加速器的研究已有多年，并取得了可喜的進展。2004年，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室激光和光學加速器系統(tǒng)綜合研究項目的科學家，首次向人們展示了具有窄發(fā)散能量的激光等離子加速器電子束；2006年，他們首次將電子能量提高到10億電子伏特。

      常規(guī)的帶電粒子（如電子）加速器有多段真空金屬腔連接而成，外加給空腔的振蕩電磁場讓帶電粒子被束縛在空腔內逐級加速，導致帶電粒子被加速的主要因素是磁場加速梯度，它用每米多少伏特來表示。通常，輸出的帶電粒子能量越高，加速器的長度就會越長，因而加速器的長度可達數公里。

      激光等離子加速器則不同。激光和光學加速器系統(tǒng)綜合研究項目的科學家研發(fā)的能夠產生10億電子伏特電子束的激光等離子加速器能夠放在手掌上，其長度只有3.3厘米。當強激光器將脈沖聚焦到加速器內的自由電子和正離子時，其輻射壓導致電子和離子分離，產生出高強度的加速梯度。部分電子尾隨在激光脈沖后面，有些幾乎在同時達到了近光速的速度。在短距離內，激光等離子加速器能夠維持每米數千億伏特的加速梯度，常規(guī)加速器無法與此相比。

    特性測量困難

      然而，激光等離子加速器獨特的電子加速方法和產生飛秒量級的電子脈沖給測量技術帶來了難題，人們一時無法測量激光等離子加速器產生的高能電子束的質量。

      現在，測量難題正在被逐步解開，這歸功于勞倫斯伯克利國家實驗室加速器和聚變研究分部科學家維姆?李曼斯領導的研究團隊。李曼斯是激光和光學加速器系統(tǒng)綜合研究項目的負責人，他所帶領的研究團隊擁有理論學家、計算機模擬專家和優(yōu)秀的實驗人員，他們不斷改進激光等離子加速器的性能。在研究隊伍中，不少學生為研究作出了重要的貢獻，并獲得了博士學位。例如，法國某綜合工科院校的研究生吉拉姆?普拉圖，他曾在項目中研究與激光等離子加速器產生的X射線相關的輻射，并將其作為自己博士論文的一部分，目前他在加州大學做博士后研究。

    發(fā)射度很關鍵

      激光等離子加速器產生的短電子束需要新的測量技術來了解其特性，而最具挑戰(zhàn)的性能參數為發(fā)射度（emittance）。與普拉圖共同在激光和光學加速器系統(tǒng)綜合研究項目工作的研究人員卡梅隆?格德斯說，發(fā)射度是指電子束聚焦的好壞，小發(fā)射度意味著電子的速度方向不是隨機四散而去，它們幾乎沿著磁力線方向運動。

      實驗初期，發(fā)射度并不是研究所關心的重心。李曼斯表示，開始時，由于要獲得與電子束相關的X射線脈沖波的圖像，研究小組同德國重離子研究中心建立了合作。該中心的科學家?guī)е呒壣虡I(yè)相機來到勞倫斯伯克利實驗室，幫助研究人員獲得了所需的圖像。他們?yōu)樽约核吹降慕Y果所鼓舞，因而希望了解利用這些圖像還能做哪些工作。

      實驗室工程分部研究人員馬爾科?巴塔格利亞隨即提供了更先進的相機，它采用堅固和靈敏的勞倫斯伯克利實驗室的電荷耦合器件，獲得了更佳的圖像。李曼斯認為，他們雖不是激光等離子加速器X射線成像的第一人，但是由于新相機成像質量的緣故，他們首次有能力仔細了解激光等離子加速器產生的X射線的光譜。

      格德斯解釋說，電子束的發(fā)射度能夠通過光束大小和發(fā)散角來測量。傳統(tǒng)方法是將絲線掃描儀正對著加速器產生的電子束測量發(fā)射度。不過，該方法能破壞低發(fā)射度的電子束。此外，在激光等離子加速器中，強激光能夠毀壞測量設備。

    X射線給答案

      研究小組為解決電子束發(fā)射度測量的難題，采取了用磁場對激光等離子加速器的電子束進行偏轉的方法來測量電子束的能量，同時利用加速器產生的X射線的信息來推算電子束的發(fā)射度。為此，他們借助了X射線攝譜儀。

      格德斯表示，在等離子中，激光尾場對電子束進行加速。借助X射線成像，他們尋找到在等離子內測量電子束質量的方法。X射線是電子感應加速輻射的結果，產生電子感應加速輻射的原因為電子束內尾隨激光脈沖的加速“氣泡”。當電子束聚集在“氣泡”內時，它們前后搖擺，這種電子感應加速振蕩發(fā)射出了向前的X射線，其特征是密集、明亮同時超短。

      激光束、電子束和X射線均沿相同的方向前行。為無干擾測量X射線，研究人員首先讓電子束發(fā)生偏轉，然而采用箔鏡讓激光發(fā)生反射，而只讓X射線脈沖通過箔鏡進入能夠測量每個X射線輻射量子和計算出其能量的電荷耦合器相機中。雖然相機離加速器5米的距離，但是其捕捉到的密集的電子感應加速輻射脈沖的頻譜含帶有用來測量電子束半徑所必需的信息。

      格德斯說，通過將測量到的X射線頻譜與理論推測的進行比較，他們確定實驗中的電子束半徑為0.1微米，此結果比過去任何實驗所獲得的都要小，同時也幫助他們估算出了電子束橫截面的發(fā)射度，其為每千分之一弧度0.1厘米。

      格德斯補充說，激光等離子加速器電子束的橫向發(fā)射度可與先進的自由電子激光器和伽馬射線源常規(guī)加速器的相媲美。他們完成的多次模擬顯示，發(fā)射度取決于電子束縛在波動中的特殊途徑，這為今后進一步降低發(fā)射度奠定了基礎。

      科學家認為，未來的激光電離子加速器既能作為基礎物理研究用的緊湊式高能對撞機，又能作為小型光源。它們能夠用于探測從人工光合作用到“綠色分析”的化學反應；了解顯微鏡無法觀察的對認識生命和健康十分重要的獨特生物結構；分析包括低溫超導、拓撲絕緣體、自旋電子元件和石墨納米結構在內的有望給電子產業(yè)帶來革命性變化的新材料。毫無疑問，激光等離子加速器所產生的光譜范圍從微波到伽馬射線的高密度光束，能夠為科學發(fā)展開拓新的領域。