| 作者：张冬冬 源头：中国迷信报 宣告光阴：2013-8-20 8:48:59 抉择字号：小 中 大 |
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| | 投入高陷顺境 谁来救命玩不起的投入高能物理 | | 光纤激光点亮未来粒子减速器 |
ICAN 的激光器会运用数不胜数个光纤激光器。图片源头：PHIL SAUNDERS 早晚，高陷高这些野心将会陷入顺境——除了非一些破费残缺重价下来的顺境新减速器技术患上以实现。 在不断睁开的救命高能物理隧道的尽头，光还会是玩不物理往事网光吗？该规模对于更强盛减速器的谋求正在与社会为其支出用度的被迫相矛盾。 高额投入带来顺境 瑞士日内瓦临近的迷信欧洲核子钻研机关（CERN）中的大型强子对于撞机（LHC）具备27公里长的圆形隧道，探测器以及教堂差未多少大，投入其用度有快要100亿美元。高陷高接下来，顺境物理学家想要修筑一个31公里长的救命国内直线对于撞机，用度高达250亿美元，玩不物理往事网而且他们还在品评辩说修筑更大的迷信机械以及更长的隧道。早晚，投入这些野心将会陷入顺境——除了非一些破费残缺重价下来的高陷高新减速器技术患上以实现。可是顺境，一个欧洲物理学家团队在重大的光纤激光器中看到了愿望。 多少十年前，钻研职员就已经知道激光脉冲可能减速带电粒子，但直到多少年前，他们能耐用该措施发生饶富高品质的粒子束。余下需要克制的下场便是数目：可能在公平的功能下，以饶富高的一再率发生饶富强烈脉冲的激光并不存在。 如今，一些欧洲物理试验室的同盟称，它们可能在不修筑一个新的高能激光机械的情景下知足需要的条件。这就需要运用光纤激光器——它们是电信行业的主力，并将其所有的产出结分解为一个超级粒子束。在欧盟为其长达18个月的试点名目投资50万欧元后，这些试验室运用64个光纤激光器顺遂并吞光束。假如欧盟下一个7年钻研估算应承（当初尚未敲定），他们愿望用数不胜数个光纤扩展建成一个全尺寸的激光器。 抱残守缺的试验 物理学家不光抵达了国家估算的极限，同时也到了技术的极限。为了追寻新的物理天气，他们最终会减速轻子——好比电子以及正电子——至逾越5TeV（5万亿电子伏特）的能量。不外，若想运用明天的技术抵达这一步，将破费数百兆瓦（MW）的电力，至关于一其中型电站的所有输入。“不技术可以为逾越5TeV的轻子对于撞机效率。”法国原子能委员会试验室的Roy Aleksan如是说。其难题在于，当初用于减速离子的无线电波无奈提供饶富大的能源，因此需要大批不断的微波腔以抵达高能量。而这些微波腔并不能颇实用地将插接电转化为电子束功率。 30多年前，美国加州大学洛杉矶分校的John Dawson以及Toshiki Tajima提出了一个截然差距的策略：在激光激发的等离子体中对于粒子妨碍减速。等离子体本性上是一种带电粒子（离子以及电子）的气体。假如一个高能激光脉冲发射到等离子体中，激光的电场会清扫那些很轻的电子，而更重的离子则很少挪移，其尾流中就会有缺少电子的正电荷泡沫，随后会泛起一个负电荷（在电子重新涌入时组成）地域。服从就会组成一个以及脉冲后退倾向平行的强盛电场。这种“尾流电场”可能大幅减速电子——来自等离子体的电子或者是特意注入其中加以运用的电子。 当Dawson以及Tajima提出这种尾流电场减速技术时，激光脉冲还无奈饶富仓皇有力。不外，20世纪80年月中期罗彻斯特大学的Gérard Mourou以及Donna Strickland缔造了啁啾脉冲淘汰（CPA）技术。经由该技术，钻研职员可能患上到10~100GV/m（GV/m为十亿伏每一米）强度的尾流电场，比传统的射流减速（10~50MV/m）的能量强度要高3个数目级。不外粒子物理学家并无严正看待这种技术，由于它破费出的是品质差以及低亮度的粒子束。 可是，2006年，加利福尼亚的伯克利国家试验室在仅仅3.3厘米长的等离子管道中缔造出了一个高品质的1-GeV（十亿电子伏特）电子束时，怀疑者们开始对于其另眼相看。2009年，国内未来减速器委员会以及国内超高强度激光委员会设立了一个散漫使命组，旨在审核这些新型激光技术若何辅助减速器的睁开。在2011年宣告的陈说中，使命组起草了一项妄想——运用成千盈百个激光等离子体模块组成的正负电子对于撞机来减速粒子。该机械将好比今的减速器小良多——不外多少公里长——而且很可能老本要小良多，而它将可能抵达1到10TeV的能量。 光纤激光器退场 不外需要的激光器依然不存在。尽管CPA使钻研职员缔造了具备饶富高峰值功率的激光脉冲，但这种激光器个别会一秒一次地妨碍发射，对于发生强烈的粒子束来说过于飞快。对于应TeV数目级减速器的激光器需要每一秒发生数以千计致使数以百万计的脉冲，以防止重大的能量破费，同时还需要高的功率转换功能。“这就需要使其部份患上到后退：高峰值功率、平均功率以及功能。”Aleksan称。 该陈说提出了一个临时的研发名目来开拓需要的激光器。不外，当初在巴黎低等理工学院使命的Mourou有一个更好的想法：运用一个在电信行业中很普遍且重价的工具，即光纤激光器——仅仅是异化了镱的光纤。在退出其余源头的光后，光纤激光器可能在高功能下以高一再率发生粒子束。而它们所缺少的是发生超短、大功率脉冲的能耐。 因此，Mourou提出，结分解千上万个光纤激光器的产出以缔造一个可能驱动TeV减速器的光束。该零星会经由从种子激光器中取患上短脉冲、将脉冲拉伸并在大批光纤激光器中淘汰来妨碍运作。之后这些脉冲就会重新组分解一个径自的光束，并被缩短发生短的、大功率的脉冲，再将数不胜数个光纤激光器发生的脉冲组分解为一个径自的光束。所有的光束都必需很精确地处于各自的相位，否则一些光束会破损性地干扰其余光束，从而削弱最终组成的光束的能量。“人们感应这很纵容。”Mourou称。 Mourou增长了国内相关淘汰收集（ICAN）与CERN、英国南安普顿大学、德国弗劳恩霍夫钻研所的同行的相助。在一年半的钻研后，他们展现这种相关组合可能实现。在其于往年早些时候实现的最终验证中，他们将64个光纤激光器组成8×8的方阵，使其光束平行泛起。在应承光束可能细小重叠的条件下，钻研职员可能审核到每一个光束以及离其最近的4个相邻光束的干涉方式。摄像机记实了这些方式，在检测了相位中的任何差距后，一个反映回路会回到有下场的光纤激光器中，并赶快调解相位复原个别。 检测并调解一个粒子减速器所需要的约3万个光纤激光器黑白常难题的使命——Mourou以为其难题水平至关于妄想欧洲极大望远镜所碰着的挑战。不外ICAN的验证证明了这一道理的可行性。 ICAN名目排汇了其余看到高峰值功率以及快捷脉冲激光器愿望的机关的留意。相同的技术可以为被称作逍遥电子激光器的一种X射线光源提供低老本的电子束源头；还可能提供癌症治疗的质子束以及医疗同位素。“ICAN名目预示着在基于激光以及等离子体的粒子减速规模的一场革命。”俄罗斯罗蒙诺索夫莫斯科国立大学Skobeltsyn核物理钻研所的Alexander Pukhov如是说。 在该名目的技术运用于其余规模以前，Mourou以及其团队需要证实他们可能修筑一个具备所需功能的周全的激光器。假如下一个欧盟钻研估算可能提供他们所需的300亿欧元资金，他们也允许以剖析其原实际证是否预示着粒子物理学的黝黑未来，仍是仅为过眼云烟。“他们需要开拓出一个减速器。”Aleksan说，“然祖先们就能说‘这正是咱们可能运用的工具’。”（张冬冬） 《中国迷信报》 (2013-08-20 第3版 国内) |