激光等离子体加速是一项潜在的颠覆性技术：它可以用来构建更为紧凑的加速器，并在基础研究、工业和健康等领域开辟新的应用场景。然而，在实现实际应用的过程中，目前原型加速器传递的等离子体驱动电子束的一些特性仍需改进。德绍的LUX实验在这方面取得了显著进展：研究团队利用一种巧妙的修正系统，显著提高了由激光等离子体加速器加速的电子束质量。这使得这种技术更接近于具体应用，例如用于同步辐射储存环的基于等离子体的注入器。研究小组在《自然》杂志上发布了他们的研究结果。
传统的电子加速器使用射入所谓谐振腔的无线电波。无线电波在电子经过时将能量传递给它们，增加其速度。为了实现高能量，需要将多个谐振器串联连接，从而使机器变得庞大且成本高昂。激光等离子体加速则承诺了一个新颖的紧凑替代方案。短而强烈的激光脉冲射入一个填充氢气的小毛细管，产生等离子体——一种带电气体。当激光脉冲通过等离子体时，它会产生一个类似于高速船在水中行驶时产生的尾流。这种尾流可以在几毫米内将一束电子加速到巨大的能量。
迄今为止，这种创新技术存在一些缺陷。“产生的电子束还不够均匀，”德绍的等离子体加速首席科学家安德烈亚斯·迈尔解释道。“我们希望每束都看起来与下一束完全一样。”另一个挑战是束内的能量分布。从比喻上讲，有些电子飞得比其他电子快，这对于实际应用来说并不合适。在现代加速器中，这些问题早已通过巧妙的机器控制系统得到解决。
通过两阶段的修正，德绍团队如今成功显著提高了激光-等离子体加速器产生的电子束的特性。为了实现这一点，LUX等离子体加速器加速的电子被送入由四个偏转磁铁组成的弯道。通过迫使粒子绕行，脉冲的时间被拉伸，并根据它们的能量进行排序。“在粒子经过磁性弯道后，较快、能量较高的电子位于脉冲的前端，”研究的第一作者保罗·温克勒解释道。“较慢、相对低能量的粒子则位于后端。”
拉伸和能量排序后的束随后送入一个与现代无线电频率设施相似的单一加速器模块。在这个谐振器中，电子束会稍微减速或进一步加速。“如果你能精确地将束到达的时间与无线电频率同步，束后端的低能量电子可以被加速，前端的高能量电子可以被减速，”温克勒解释道。“这压缩了能量分布。”团队成功将能量分布的扩展因素降低了18倍，中心能量的波动降低了72倍。这两个值都小于千分之一，使其可与传统加速器的值相媲美。
“这个项目是理论与实验之间合作的绝佳例子，”德绍加速器部主任温·利曼斯表示。“这个理论概念最近被提出，如今已经第一次实现。”使用的大多数组件来自德绍的现有库存。项目团队在设置修正阶段和同步极其快速的过程方面投入了大量精力。“但一旦完成，事情进展得出奇顺利，”温克勒说。“在一切设置好的第一天，我们打开系统，立即观察到了效果。”经过几天的微调后，显然修正系统确实如预期工作。
“这也是等离子体加速与现代加速器技术之间成功协同的结果，以及德绍多个技术团队之间的合作，这些团队在加速器建设方面拥有丰富经验，”前加速器部主任雷因哈德·布林克曼说。“这些结果将进一步增强人们对激光等离子体加速这项年轻技术的信心，”迈尔补充道。
研究团队已经对潜在应用有了具体想法：这种新技术可以用来生成和加速被注入如PETRA III或其计划继任者PETRA IV之类的X射线源的电子束。迄今为止，这种粒子注入需要相对大型且能量密集的传统加速器。激光等离子体技术现在似乎提供了一种更加紧凑和经济的替代方案。“我们所取得的成就是激光等离子体加速器的一次重大进步。我们仍然有很多开发工作要做，例如改进激光和实现持续运行，”利曼斯说。“但原则上，我们已经证明了等离子体加速器适合于这种类型的应用。”
