上海交通大学的张杰及其同事发明了一种激光尾场加速器（LWFA），它可以沿着弯曲通道引导激光束，同时加速电子。这项新技术可能是开发紧凑、廉价的传统粒子加速器替代品的关键一步。
在 LWFA 中，通过将强激光脉冲聚焦到气体中来产生高密度等离子体。当脉冲穿过气体时，脉冲会产生一个交变电场区域——“尾流场”——类似于移动的船尾流中形成的水波。
通过驾驭这些波，等离子体内的电子可以在非常短的距离内加速到非常高的能量。因此，该技术在开发比传统系统小得多的加速器方面显示出巨大的前景。这种紧凑的设备对于医疗和研究应用非常有用。
再注射困境
为了使电子达到相对论速度，加速必须发生多次，来自一个 LWFA 级的电子被注入到下一个 LWFA 级。这并不容易，正如团队成员陈敏解释的那样，“由于尾流有数十微米大小，而且其速度非常接近光速，因此电子重新注入极其困难”。虽然最近的一些研究已经使用等离子透镜等技术实现了再注入，但研究人员只能将一小部分电子注入第二级。
2018 年，Zhang 和 Chen 的团队推出了一种新方法，正如 Chen 所描述的那样：“在我们的方案中，电子总是在直线等离子体通道内传播，在那里它们可以被激光尾场聚焦。然后，第二束新鲜激光由弯曲的等离子体通道引导并合并到直线通道中，就像高速公路坡道一样。”
通过允许电子沿着一个不间断的阶段行进，而不是在每个新阶段开始时注入它们，这种方法将使研究人员能够在加速过程中保留更多的粒子。
摆动的等离子体
起初，团队的目标可能显得过于雄心勃勃。如果光束在与直线通道合并时稍微偏离中心，就可能导致等离子体尾场摆动——使电子偏离直线路径，并降低它们的加速度。
张的团队通过改变通道的曲率来解决这一挑战，这会导致内部等离子体密度的变化。他们发现，只要有正确的曲率，就可以阻止激光束的定位振荡，这样当电子注入通道的直线部分时，产生的尾场足够稳定，可以将粒子加速到更高的速度。
通过最新的实验，研究人员发现了他们的方法的另一个优点。“我们发现，在某些情况下，激光不仅可以被引导，还可以在弯曲通道内产生尾场并加速电子，”陈解释道。“通常这些只在直等离子体通道中发现。这意味着激光和高能电子都可以在这种弯曲的等离子体通道中被引导。”
该团队认为其早期结果是一个重要的里程碑。“我们的实验展示了如何通过弯曲等离子体通道稳定地引导相对论电子，这是我们分级尾场加速方案的关键步骤，”陈说。“未来，此类通道可用于尾场加速和电子引导。”
如果他们能够使用多个弯曲通道展示更多数量的加速级，张的团队希望有一天 LWFA 能够以现代粒子加速器的一小部分尺寸和成本实现太电子伏特能量。“目前，我们可以说我们的研究解决了分级激光尾场加速的关键一步，并展示了紧凑型同步加速器辐射源的潜力，”陈说。
该研究在《物理评论快报》中进行了描述。
