实验背景

传统粒子加速器，强无线电波被引导到称为谐振器的特殊形状的金属管中。要加速的粒子，通常是电子，可以像冲浪者驾驭海浪一样驾驭这些无线电波。但该技术的潜力有限：将过多的无线电波功率馈入谐振器会产生电荷风险，从而损坏谐振器。这意味着为了使粒子达到更高的能量级，许多谐振器必须串联连接，使得目前的加速器在许多情况下长达数公里。

因此专家们急切研究替代方案：等离子体加速。原则上，短而极其强大的激光闪光射入等离子体(一种由带负电的电子和带正电的原子核组成的电离状态)。在这种等离子体中，激光脉冲会产生强大的交变电场，类似于船的尾流，可以在很短的距离内极大地加速电子。从理论上讲，这意味着设施可以建造得更加紧凑，将目前一百米长的加速器缩小到几米。

但是还有另一种等离子体加速，其中等离子体由接近光速的电子束驱动，而不是由强大的激光闪光驱动。与激光驱动的等离子体加速相比，这种方法有两个优点：第一，原则上，该方法可实现更高的粒子能量;第二，加速的电子束更容易控制。目前的缺点是：依靠大型传统加速器来产生驱动等离子体所需的电子束。

实验设置

研究人员的想法是用激光加速电子束驱动的毫米级等离子体加速器，为了测试这个概念，该团队设计了一个复杂的实验装置，HZDR激光设施DRACO发出的强光击中氦气和氮气的气体射流，通过等离子体波产生成束的快速电子束。该电子束穿过金属箔进入下一段，金属箔反射激光闪光。

在下一段中，进入的电子束遇到氢气和氦气的混合物，它可以在其中产生新的第二种等离子体波，在仅几毫米的跨度内使其他电子进入涡轮模式——发射出高能粒子束。在这个过程中，研究人员使用一个额外的、更弱的激光脉冲预电离等离子体，使得驱动光束的等离子体加速更加有效。

图1. 实验原理图概述。

实验结果

混合加速器测量不到1 cm，光束驱动加速器部分仅使用1 mm就可使电子接近光速。该过程的真实模拟显示该过程中加速电压有显著的梯度，与传统加速器相比增加了一千多倍。研究人员同时在慕尼黑大学ATLAS激光器上以类似的形式实施了这一概念。然而，在这项新技术应用之前，仍有许多困难需要克服。

图2. 激光驱动加速度(左侧)和随后的电子驱动加速度(右侧)的数值渲染，共同形成了混合等离子体加速器。

研究人员解释该技术可能的应用领域：可能成为所谓的自由电子激光器的基础。到目前为止，X射线激光器需要使用时间长且昂贵的传统加速器。新的等离子技术可以使传统加速器更加紧凑和更具成本效益。