20 年間、物理学者は粒子加速器 (原子粉砕機および X 線源として機能する巨大な機械) の小型化に努めてきました。中国の物理学者が小型の「プラズマ航跡場加速器」を使用して、自由電子レーザー (FEL) と呼ばれるタイプのレーザーに電力を供給したため、この取り組みは大きな一歩を踏み出しました。長さ 12 メートルの FEL は、数キロメートルの長さの前任者ほど良くはありません。それでも、他の研究者は、この実験は小型加速器の大きな進歩を示していると言っています.
ローレンス・バークレー国立研究所のレーザープラズマ物理学者で、この研究には関わっていないJeroen van Tilborg氏は、「多くの[科学者]は、『ああ、それは非常に印象的だ!』と考えているだろう」と言う。新しい FEL に取り組んだ上海光学精密機械研究所 (SIOM) の物理学者である Ke Feng は、アプリケーションの準備ができているとは主張していません。 「このようなデバイスを便利で小型にすることが常に私たちの目標です」と Feng 氏は言います。「しかし、まだやるべきことはたくさんあります。」
粒子加速器は、無数の科学分野で主力製品であり、基本的な粒子を爆発させ、生体分子と材料の研究のために強力な X 線ビームを生成します。このような加速器は長さが数キロメートルにも及び、10 億ドル以上の費用がかかります。これは、従来の加速器内では、電子などの荷電粒子がエネルギーを獲得できる速度が非常に速いためです。コンパクトな束にグループ化された粒子は、真空パイプを通り抜け、マイクロ波と共鳴する空洞を通過します。海の波がサーファーを推進するのと同じように、これらのマイクロ波は電子を押してエネルギーを増加させます。ただし、マイクロ波の振動電界が強すぎると、有害な火花が発生します。そのため、粒子は空洞 1 メートルあたり最大約 100 メガ電子ボルト (MeV) のエネルギーを得ることができます。
より短い距離で粒子を加速するには、物理学者はより強い電場を必要とします。ヘリウムなどのガスにレーザー光のパルスを発射することは、それらを生成する 1 つの方法です。光は原子から電子を引き裂き、ガス中を移動するイオン化の津波を作り出し、続いて波打つ電子の航跡が非常に強い電場を生成します。その航跡場は電子をすくい上げ、わずか数センチメートルで 1000 MeV まで加速することができます。
航跡場を利用することを望んでいる物理学者は、航跡場が非常に短く強力な電子バーストを生成できることを示しました。しかし、バースト内では、これらの電子のエネルギーは通常数パーセント変化し、ほとんどの実用的なアプリケーションには大きすぎます.現在、SIOM 物理学者の Wentao Wang、Feng、および同僚は、プラズマ航跡場加速器の出力を十分に改善して、FEL に電力を供給するという潜在的に有用な何かを行うことができました。
FEL では、物理学者は電子を真空パイプとアンジュレータと呼ばれる一連のデバイスを通して放出します。アンジュレータ内では、ビーム パイプの上下に小さな磁石が歯のように並んでおり、隣接する磁石の N 極が上下に交互になっています。電子がアンジュレータを通過すると、さざ波状の磁場によって電子が前後に揺れ、電子が発光します。光が蓄積され、電子の束と一緒に移動すると、電子は押し戻され、それらをサブバンチに分離します。これらのサブバンチは、光をレーザービームに増幅するために一斉に放射します。
2009 年に SLAC 国立加速器研究所で発表された世界初の X 線レーザー、Linac Coherent Light Source (LCLS) は、研究所の有名な長さ 3 キロメートルの線形加速器を搭載した FEL です。ヨーロッパと日本の研究者も、大型の X 線 FEL を構築しました。しかし、SIOM チームは、長さ 1.5 メートルの 3 つのアンジュレータのチェーンを通してプラズマ航跡場加速器から電子ビームを発射することで、FEL を長い部屋に収まるほど小さくしました。
これを可能にするために、SIOM の物理学者は電子のエネルギーの広がりを 0.5% に縮小する必要がありました。彼らは、レーザーとガスターゲットを最適化して、電子の加速をより適切に制御することで成功し、電子が真空パイプをよりスムーズに下っていくようにした、と Wang は言う。米国とヨーロッパのチームは、特定のエネルギーの電子をフィルタリングするためのより複雑なスキームを調査しましたが、SIOM チームはより単純なアプローチをとったと van Tilborg は言います。 「すべてが少しだけ最適化されています」と彼は言います。
他の研究者は、プラズマ航跡場加速器を使用してアンジュレータから光を引き出すことが以前にありました。しかし、Wang と同僚は増幅を実証し、光の強度が 3 番目のアンジュレータで 100 倍になることを示した、と彼らは先週 Nature で報告した。 . 「これは大きな前進です」と SLAC の加速器物理学者 Agostino Marinelli は言います。
小さな FEL は、他の X 線源よりも何十億倍も明るいビームを生成し、エネルギーの広がりがわずか 0.1% である大型の FEL とはかけ離れています。新しい FEL は、エネルギーの広がりが 2% の、より長い波長の紫外光のはるかに弱いパルスを生成します。 SLAC の研究者は、LCLS をアップグレードして、毎秒数百万のパルスを生成しています。新しい FEL は毎秒 5 個生成できます。
このデバイスで X 線の波長に到達するのは難しいだろう、とマリネリは予測しています。 「これらは非常に印象的な結果ですが、私はこれを X 線エネルギーに外挿することに非常に注意を払っています。」それでも、SIOM チームはそれが目標だと言います。 「硬X線の波長に到達するまでにどれくらいの時間がかかるか、おそらく10年以上かかるとは言い難い」と、SIOMの物理学者でチームメンバーのRuxin Liは言う。 「その日を楽しみにしています。」
