智能光束校正技巧使等离子体加速器更加精确，为紧凑、高性能的粒子技术铺平了道路。

DESY 的科学家们在改进激光等离子体加速方面迈出了重要一步，这项技术可以通过使粒子加速器更小、更便宜、用途更广来彻底改变粒子加速器。

他们最近成功地使用了一种巧妙的磁校正系统，极大地提高了光束质量，减少了能量变化并提高了一致性。凭借这些改进，激光等离子体加速器很快就会为下一代 X 射线源等高级应用提供动力，从而改变研究和医学。

向紧凑型加速器的飞跃

激光等离子体加速是一项新兴技术，有可能彻底改变粒子加速器。通过实现更紧凑的设计，它可以为基础研究、工业和医疗保健领域的新应用铺平道路。然而，当前的原型系统仍然面临挑战，尤其是在生产具有实际使用所需的一致性和精度的高质量电子束方面。

DESY 的 LUX 实验的研究人员现在已经向前迈出了一大步。通过实施智能校正系统，他们显著提高了激光等离子加速器产生的电子束的质量。这一进步使该技术更接近实际应用，例如用作同步加速器存储环的紧凑型注射器。该团队于 4 月 9 日在《自然》杂志上发表了他们的发现。

激光等离子体加速的工作原理

传统的电子加速器依靠通过特殊谐振腔发送的无线电波来激发电子。为了达到高能量，这些系统必须长串联构建，这使得它们体积大且成本高昂。激光等离子体加速提供了一种很有前途的替代方案。它的工作原理是将短而强大的激光脉冲发射到狭窄的充满氢气的毛细管中，以产生等离子体，即电离气体。当激光穿过等离子体时，它会产生尾流，类似于飞船留下的涟漪。这种尾流可以在几毫米内将一堆电子加速到非常高的能量。

                                          脉冲开始时的高能电子减速，而脉冲束结束时的低能电子加速。

解决均匀性和能量分布问题

迄今为止，这项创新技术存在一些缺点。“产生的电子束还不够均匀，”DESY 等离子体加速首席科学家 Andreas Maier 解释说。“我们希望每一组看起来都和下一串一模一样。”另一个挑战涉及一堆内的能量分配。形象地说，一些电子比其他电子飞得更快，这不适合实际应用。在现代加速器中，这些问题早已通过使用巧妙的机器控制系统来解决。

通过磁选实现精确的光束控制

使用两级校正，DESY 团队现在已经成功地显着改善了其激光等离子体加速器产生的电子束的性能。为了实现这一点，由 LUX 等离子加速器加速的电子通过由四个偏转磁铁组成的减速弯道发送。通过迫使粒子绕道而行，脉冲在时间上被拉伸并根据它们的能量进行排序。“在粒子通过磁减速弯后，更快、更高能量的电子位于脉冲的前部，”该研究的第一作者 Paul Winkler 解释说。“速度较慢、能量相对较低的粒子位于后面。”

微调以获得最大光束质量

然后，拉伸和能量分类的电池组被发送到一个加速器模块中，类似于现代射频设施中使用的加速器模块。在这个谐振器中，电子束略微减速或进一步加速。Winkler 解释说：“如果你仔细地将光束到达射频的时间，束后面的低能电子可以加速，而前面的高能电子可以减速。“这压缩了能量分布。”该团队能够将能量分布减少 18 倍，将中心能量的波动减少 72 倍。这两个值都小于 1 permille，使其与传统促进剂相当。

“这个项目是理论与实验之间合作的一个很好的例子，”DESY 加速器部门总监 Wim Leemans 说。“这个理论概念是最近提出的，现在已经首次得到实施。”使用的大多数组件来自现有的 DESY 库存。项目团队必须投入大量精力来设置校正阶段并同步极其快速的流程。“但是一旦完成，事情就出奇地顺利，”Winkler 说。“在一切设置完毕的第一天，我们打开系统并立即观察到效果。”经过几天的微调，很明显校正系统按预期工作。

迈向实际应用

“这也是等离子体加速和现代加速器技术之间成功协同的结果，以及 DESY 大量技术团队之间的合作，他们在制造加速器方面拥有丰富的经验，”加速器部门前总监 Reinhard Brinkmann 说。“结果将有助于进一步增强人们对激光等离子体加速这一年轻技术的信心，”Maier 补充道。

研究团队已经对潜在应用有了具体的想法：这项新技术可用于产生和加速电子束，以注入 X 射线源，例如 PETRA III 或其计划的继任者 PETRA IV。迄今为止，这种颗粒注入需要相对大型且能源密集型的传统加速器。激光等离子技术现在似乎提供了一种更紧凑、更经济的替代方案。“我们所取得的成就是等离子体加速器向前迈出的一大步。我们还有很多开发工作要做，例如改进激光器和实现连续运行，“Wim Leemans 说。“但原则上，我们已经证明等离子体加速器适用于这种类型的应用。”