美国科学家实现1,000倍加速，激光加速器迎来小型化新时代

今日新闻 2025年08月04日 23:42 0 admin

美国科学家突破性进展：激光加速器实现1,000倍速度提升，助力X射线自由电子激光器小型化

日前，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）与TAU Systems公司合作，成功突破了一项重大的工程技术难题——利用激光等离子体加速器（LPA）大幅提升电子束的加速效率。通过这项新技术，科学家不仅成功实现了电子加速的1,000倍提升，而且使传统需要数公里长度的加速器缩短至仅需几米的空间，为X射线自由电子激光器（XFEL）带来了革命性的突破。

电子束在减速弯道中的偏移可以阻挡剩余的激光，同时在时间上分离不同能量的电子。来源：伯克利实验室；侵删

加速器加速1,000倍，科技进步引领新趋势

与传统加速器相比，LPA技术能够实现每米100吉伏特（GeV）的加速梯度，电子束的加速速度是传统加速器的1,000倍。传统的加速器每米加速仅限于50兆伏特（MV），这种效率的大幅提升意味着，原本需要数公里长的加速器，现在可以压缩至数米长。这项突破不仅提升了效率，还为加速器的缩小化、便捷化开辟了新的可能。

贝克利实验室的加速器技术与应用物理部门的科学家Sam Barber表示：“这一成果是非常重要的，尤其是在自由电子激光器（FEL）的增益达到两到三个数量级的情况下，证明了激光等离子体加速器（LPA）能够生成高质量的电子束，并且其在长时间的实验中依然保持稳定性，这展示了LPA技术的可靠性。”

X射线自由电子激光器：小型化的关键应用

X射线自由电子激光器（XFEL）是一种能够产生强亮X射线的科学工具，广泛应用于医学、材料科学、生物学和物理学等领域。以往，XFEL需要庞大的设施来提供足够的能量，这导致其建设受限，仅能在全球少数地点搭建。然而，LPA技术的引入，打破了这一尺寸限制，使得XFEL能够在更紧凑的空间内运行，降低了研究成本，拓宽了其应用前景。

“我们应用了多年来在激光等离子体加速领域的深厚经验，成功地将XFEL设备进行了缩小。” Barber说道。这项突破性进展是在贝克利实验室的激光加速中心（BELLA）完成的，研究团队采用激光创建电子密度波，在等离子体内加速电子，而不是像传统方法那样使用射频波。这一过程不仅提高了能量，还保证了电子束的高质量，这为自由电子激光器的高效运行提供了强有力的支持。

结合磁性调制器，突破性成果推动技术进步

此次研究还依赖了与TAU Systems公司的合作，TAU公司在加速器束流物理领域的专长，帮助将等离子体生成的电子束与产生X射线的磁性调制器进行有效耦合。研究人员表示，LPA技术的突破，标志着加速器领域出现了一个革命性的范式转变，从设备的外观到可行的技术应用都发生了巨大变化。

“这些自由电子激光器（FEL）的实验结果证明了LPA技术的潜力，为加速器的设计和应用开启了全新的视角。” TAU Systems的首席科学家Stephen Milton总结道。

小型化自由电子激光器，推动各行业应用

LPA技术的广泛应用，将使得XFEL技术更加普及，未来可在生物学研究中对复杂蛋白质进行现场成像，在材料科学中分析纳米结构，甚至在半导体芯片制造中实现光刻工艺的精密操作。此外，这项技术不仅能创造全新的独立设施，还能为现有的XFEL系统提供升级。

Barber进一步表示：“通过将来自等离子体加速器的高质量电子束注入现有的XFEL设施，可以进一步提升其性能。”

迈向未来，LPA技术将带来更多可能

虽然这项突破性成果已经为XFEL的应用和小型化奠定了基础，但科学家们认为，这仅仅是LPA技术应用的第一步。贝克利实验室的高级科学家Carl Schroeder指出：“基于LPA的自由电子激光器的开发，是将来高能物理等领域应用技术发展的关键一步。”