伯克利实验室BELLA中心团队开发了新的电子束诊断技术

 
伯克利实验室BELLA中心的研究科学家Sam Barber(左)和Jeroen van Tilborg（右）拿着用于电子束诊断实验的有源等离子透镜和偶极磁体。该设备实现了电子束能量的测量，其范围和分辨率与使用位于其后的多吨级磁体所获得的相当。(图片来源：玛丽莲·萨金特/劳伦斯·伯克利国家实验室)

美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的物理学家们正在研究出一种新方法，可以利用一种利用激光脉冲和外来物质(称为等离子体)的技术，在最短距离内将电子加速至最高纪录。测量激光等离子加速实验中产生的高能电子束的性能已证明具有挑战性，因为必须转移高强度激光且不会破坏电子束。

现在，伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心已成功演示了一种新型紧凑系统，可同时提供多种电子束特性的高分辨率测量。

新系统使用由俄亥俄州玻璃大学的Douglass Schumacher教授和他的团队开发的超薄液晶膜来重定向激光，同时允许电子束通过，而基本上不受影响。激光形成等离子体，该等离子体反射其大部分激光。

在每个激光脉冲破坏液晶膜的同时，类似于气泡机，在每次激光发射之后，液晶膜由旋转盘和刮水器装置补充。由该装置形成的膜厚度仅为几十纳米(十亿分之一米)，比其他使用VHS盒式磁带的可补充等离子镜系统的膜薄约1,000倍。厚度的减小用于保持电子束的特性。

BELLA中心的科学家Jeroen van Tilborg指出，激光偏离电子束的偏转对于产生精确的电子束诊断至关重要，这对于多级激光等离子体加速实验也至关重要，在这种实验中，激光在每个阶段刷新脉冲，为电子束提供额外的“踢”加速度，直到达到所需的加速度为止。

液晶等离子镜(LCPM)还可以使用6厘米长的充气式强聚焦装置来聚焦电子束，称为有源等离子透镜。

这种透镜可以替代大型诊断工具，称为电磁波谱仪设备，该设备具有重量超过一吨的笨重磁铁，并与大功率电源相连。

伯克利实验室加速器技术和应用物理(ATAP)部门BELLA中心的研究科学家Sam Barber说：“我们能够用大约三明治大小的偶极(两极)磁体代替它。” “激光等离子体加速器可以在紧凑的占地面积内产生高能电子，但是要缩小某些组件，包括电子束诊断，仍有许多工作要做。”

 Sam Barber在BELLA中心拿着一个用于电子束诊断实验的有源等离子透镜和偶极磁体。(图片来源：玛丽莲·萨金特/劳伦斯·伯克利国家实验室)

他补充说：“这是规模的巨大缩减。我们正在将petawatt(高功率)激光器与超薄LCPM和有源等离子透镜结合在一起-所有这些新技术都是最近才开发出来的。我们将它们三个结合在一起，得到了不错的结果。我们正在向前迈出一大步。可以使用大量新应用程序。”

Barber是一项研究的主要作者，该研究详细介绍了新诊断工具的性能和设置，并发表在《应用物理快报》杂志上。BELLA中心的其他研究人员以及加州大学伯克利分校和俄亥俄州立大学的研究人员也参加了该研究。当前的进展得到了LaserNetUS的支持，LaserNetUS是最近形成的由高能级科学办公室，聚变能源科学办公室和高能物理办公室资助的高功率激光设施网络。

伯克利实验室高级科学家卡尔·施罗德(Carl Schroeder)是BELLA中心副主任，他说，这种新的诊断技术除了结构紧凑之外，还可以一次收集多种电子束特性，包括电子束的详细能量分布和电子束的发射率。 ，一次即可。发射率是电子束的关键特性，它决定了电子束聚焦的紧密程度。低发射率意味着光束可以聚焦到非常小的点，这对于大多数加速器应用(如对撞机和自由电子激光器)至关重要。

他说：“通常，这些是多重诊断，”它对多个束脉冲的测量结果取平均值，但不像新技术那样逐个脉冲地进行测量。

在演示的设置中，激光被聚焦到气室中，在气室中产生并与等离子体相互作用，产生并加速电子束。通过该电池后，激光束和电子束的合并光束到达LCPM，在该点上，激光束在传输电子束时发生偏转-可以忽略不计。

然后，电子束穿过有源等离子透镜。透镜用于将电子束聚焦到一系列小磁体中。磁场根据能量分散电子，就像通过棱镜时光按颜色分散的方式一样。

然后，分散的电子束穿过一种特殊的晶体，该晶体在电子通过时会产生光。晶体光信号的高分辨率图像可实现电子束能量的精确，低于分辨率的映射，并同时进行发射率测量。

研究人员指出，这些测量最终可以帮助研究人员解决，调整和改善激光等离子加速实验的性能，并且该设置可能与将来的对撞机应用和紧凑型X射线自由电子激光器有关，研究人员指出广泛的应用程序。

Barber说：“您希望能够快速表征这些光束并将其用作优化的反馈。” “这对于表征和控制电子束特性很有用。”

这项研究得到了美国能源部科学技术办公室(也支持BELLA中心)以及戈登和贝蒂摩尔基金会的支持。

劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory) 及其科学家被认为是团队能够最好地应对最大的科学挑战而成立于1931年， 现已获得14项诺贝尔奖。如今，伯克利实验室的研究人员开发了可持续的能源和环境解决方案，创建了有用的新材料，推动了计算的前沿，并探索了生命，物质和宇宙的奥秘。来自世界各地的科学家依靠实验室的设施进行自己的发现科学。伯克利实验室是一个多程序国家实验室，由加利福尼亚大学为美国能源部科学办公室管理。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决当今时代最紧迫的挑战。