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欧洲草拟基于等离子体的粒子加速器计​​划

26 Dec 2019
冲浪:模拟等离子体尾波加速。 (礼貌:F Tsung / W An / UCLA / SLAC国家加速器实验室)

来自欧洲各地的物理学家概述了基于“等离子尾波场”建造新型加速器设施的计划。凭借在应用方面的卓越表现被评为欧洲等离子研究加速器(EuPRAXIA),该项目设想在欧洲的一个或两个站点上建造高能等离子体设备。其目的是展示与采用传统射频技术的加速器相比,加速器的尺寸和成本,尤其是与工业相关的加速器,如何从根本上降低。

等离子体尾场加速器利用了极高的电场梯度,该电场梯度是在激光脉冲或带电粒子高速穿过等离子体时产生的。由脉冲后的电子和离子的急剧分离产生的那些梯度,可用于将在脉冲后传播的电子在很短的距离内加速为非常高的能量。

研究人员已经在实验室中证明了尾场加速的原理,实现了高达100 GeVm的梯度-1 –与大约0.1 GeVm相比-1 射频腔可能实现。但是,由来自五个欧洲国家的16个研究所的研究人员组成的EuPRAXIA联盟旨在表明,该技术可以被工业界和学术界用来执行特定任务。

直接收益

在10月底发布的概念设计报告中 但尚未正式宣布, 该财团表示,它打算建造由高功率激光器和常规电子加速器馈电的等离子体加速器,以产生能量在1-5 GeV之间的高质量电子束。它说,这些光束可用于一系列应用,包括医学成像,正电子产生,材料测试,最重要的是为紧凑型自由电子激光器(FEL)供电。

现有的FEL使用铜或超导腔将电子加速为高能,然后用磁铁迫使粒子围绕急剧的弯曲,从而使它们发出异常明亮的X射线闪光。但是,位于欧洲,美国和亚洲的全球领先设备长达数百米,即使不是几千米。例如,等离子加速器可能具有更高的梯度,这可能会使FEL足够小,以适合医院的需要。

物理学家 卡斯滕·韦尔施 EuPRAXIA的传播负责人利物浦大学(University of Liverpool)补充说,现有FEL严重超额认购。他说:“如果您拥有可以产生类似质量的激光束但占地面积较小的设施,则将获得直接收益。”

该财团在其报告中提出了新设施的几种方案及其相关成本。最昂贵的选择是3.2亿欧元,包括在单独的地点建造激光驱动和电子驱动的加速器,并具有多种应用以及广泛的激光R程序&D.但是,结合电子前照灯的单一类型加速器的建造,如果由电子供电,则成本为6800万欧元,如果使用激光,则为7500万欧元。

决斗地点

该财团解释说,它最初打算为独立于任何地点的等离子加速器设施提出一种设计。最后,它批准了电子驱动加速器的特定位置– 弗拉斯卡蒂国家实验室 在罗马以外。那里的研究人员已经着手建立一个等离子体装置,该装置可使先进的射频腔所提供的能量翻倍。

相反,该报告列出了激光驱动加速器的四个可能站点。其中两个在意大利-Frascati实验室和 比萨国家光学研究所 –而其他人是 ELI Beamlines Lasers激光中心位于捷克共和国和附近的布拉格 卢瑟福·阿普尔顿实验室 在英国牛津郡。

根据Welsch的说法,如果EuPRAXIA获得批准,则应该在10年内为用户提供光束。考虑到建造和调试加速器需要花费多长时间,他说,现场决定“绝对需要在未来五年内,可能在未来两到三年内做出”。

至于使用该装置来加速电子进行粒子物理实验,据韦尔希说,所涉及的能量太低而无法做出重大发现。他说:“至少在最初的十年时间里,这些应用是不可能的。”

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