激光等離（lí）子加速器（LAPs）因其（qí）加速空腔的長度（dù）可用厘米而不是（shì）公裏（千米）來計量而被稱為“桌麵加速器”。近（jìn）年來，由於技術的迅速（sù）發展，科學（xué）家（jiā）有（yǒu）望開發出新型實用的激光等離子加速器。與（yǔ）當今傳統的加速器相比，激光等離子加速器不（bú）僅造價（jià）十分低廉，而且對土地（dì）和環境的影響要小得多（duō）。

    “體形”差異甚大

      激光等離子（zǐ）加速器的研（yán）究已有多年，並取得了可喜的進展。2004年，美國（guó）能源（yuán）部勞倫斯伯克利國家實驗室激光和光（guāng）學加速器係統（tǒng）綜合研究項目的科學家，首次向人們展示了具有窄發散能（néng）量（liàng）的激光（guāng）等（děng）離子加速器電子（zǐ）束；2006年，他們首次將電子能量提高到10億（yì）電子伏（fú）特。

      常規的帶電粒子（如電子）加速器有多段真空金屬腔連接而成，外加給空腔的振（zhèn）蕩電磁（cí）場讓帶電粒子被（bèi）束縛在空腔內逐級加速，導致帶電粒子被加速的主要因素是磁場加速梯度，它用每米多少伏特來表（biǎo）示。通常，輸（shū）出的帶電粒子能量越高，加速（sù）器的長度就會越長，因而加（jiā）速器的長度可達數公裏。

      激光等離子加速（sù）器則不同（tóng）。激光和光學加速器（qì）係統綜合研究項目的（de）科學家研發的（de）能夠產生10億電子伏特電子束的激光等離子加速器能（néng）夠放（fàng）在手掌上，其長度隻有（yǒu）3.3厘米。當強激光（guāng）器將脈（mò）衝（chōng）聚焦到加速器內的自（zì）由電子（zǐ）和正離（lí）子時，其輻射壓導致電子和離子分離（lí），產生出高強度（dù）的加速梯度。部分電子尾隨在激光脈（mò）衝後麵，有些幾乎在同時達到了（le）近光速的速度。在短距離內，激光等離子加速器能夠維持每米（mǐ）數千億伏（fú）特的加速梯度，常規加速器無法與此相比。

    特性測量困難

      然而，激光等離子加速器獨特的電子加速方法和產生飛秒量級的（de）電子脈衝（chōng）給測量（liàng）技術帶來了難題，人們一（yī）時無法測量激光等離子加速器產生的高能電（diàn）子（zǐ）束的質量。

      現（xiàn）在，測量難題（tí）正在被逐步解開，這歸功（gōng）於勞倫斯伯（bó）克利（lì）國家實驗（yàn）室加速器和聚變研（yán）究分部科學家維姆?李曼斯領（lǐng）導的研究團隊（duì）。李曼斯是激（jī）光和光學加速器係統綜合研究項目的負（fù）責（zé）人，他所帶領的研究團隊擁有理論學家、計算（suàn）機模擬專家和優秀的實（shí）驗人員，他們不斷改進激光（guāng）等離子加（jiā）速器的性能。在研究隊伍中，不少學生（shēng）為研究作出了重要的（de）貢（gòng）獻，並獲得了博士學（xué）位。例如，法國（guó）某綜合工科院校（xiào）的研（yán）究生吉拉姆?普拉圖，他曾在項目中研究與激光等離子（zǐ）加速器產（chǎn）生（shēng）的X射（shè）線相（xiàng）關的輻射（shè），並將其作為自己博士論文（wén）的（de）一部分，目前他在加州大學做博士後研究。

    發射度很關鍵

      激光等離子加速器產生的短電子束需（xū）要（yào）新的測量（liàng）技術來了解其特性，而最具挑戰的性能參數為發射（shè）度（emittance）。與普拉圖共同（tóng）在激光和光（guāng）學加速器係統綜合研（yán）究項目工作的研究人員卡梅隆（lóng）?格德斯說，發射度是指（zhǐ）電子（zǐ）束聚焦的好壞，小發射度意味著電子的速度（dù）方向不是隨機四散而（ér）去，它們幾乎沿著磁力線方向運動。

      實驗初期，發射度並不是研究（jiū）所關心的重心。李曼斯表示，開始時，由於要獲得與電子束相關的X射線脈衝波的圖像，研究小組同德國重離子研究中心建立了合作。該中心的科學家帶著（zhe）高級商業相機來到勞倫（lún）斯伯克利實驗室，幫助研究人員獲得了所需的圖像。他們（men）為（wéi）自己所看到的結果所鼓舞，因而希望（wàng）了（le）解利用這些圖像還能做哪些工作。

      實驗室（shì）工程分（fèn）部研究人員馬爾科?巴塔格利亞隨即（jí）提供了更先進的相機，它采用堅固和靈敏的勞倫斯伯克利實驗室的電荷耦合（hé）器件，獲得了更佳的圖像。李曼斯認為，他們雖不是激光等離子加速（sù）器X射線成像的第一人，但是由於新相機成像（xiàng）質量的緣故，他（tā）們首次有能（néng）力仔細了解激（jī）光等離子加速器產生的X射線的光譜。

      格德斯解釋說，電子束的發射度能夠通過光束（shù）大小和發散角來測量。傳統方（fāng）法（fǎ）是將絲線掃描儀正對著加速器產生（shēng）的電子（zǐ）束測量發射度。不過，該方法能破壞低發射度的電子束。此外，在激光等離子（zǐ）加（jiā）速器中，強激光能夠毀壞測量設備（bèi）。

    X射線給答案

      研究小組為解決電子束發射度測量的（de）難題，采取了（le）用磁場對激光等離子加速器的電子（zǐ）束進行偏轉的方法來測量電子束的能（néng）量，同時利用加（jiā）速（sù）器產生的X射線的信息來推算電子束的發射度。為此，他們借助（zhù）了X射線攝譜儀。

      格德斯表示，在等離子中，激光尾場對電子（zǐ）束進行（háng）加速。借助X射線（xiàn）成像（xiàng），他們尋找到在等（děng）離子內（nèi）測量（liàng）電子（zǐ）束質量（liàng）的方法（fǎ）。X射線是電子（zǐ）感應加速輻射的結果，產生電子感應加速輻射的原因為電子束內尾隨激光（guāng）脈衝的加速“氣泡”。當電子（zǐ）束聚集在“氣泡”內時，它們前後搖擺，這種電子感應加速振蕩發射出了（le）向前的X射線，其特征是密集（jí）、明亮同時超（chāo）短。

      激光束、電子束和X射線均沿相同的（de）方向前行（háng）。為無幹擾測量（liàng）X射線，研究人員首先讓電子束發生偏轉，然（rán）而采用箔鏡讓激光發生反（fǎn）射，而隻讓（ràng）X射線脈衝（chōng）通過箔鏡進（jìn）入能夠測量每個X射線輻射量子和計算出其能量的電荷耦合（hé）器（qì）相機中。雖然相機離加速器5米的距離，但是其捕捉到的密（mì）集的電子感應加速輻射脈（mò）衝的頻譜（pǔ）含帶有用來測量電子束半（bàn）徑所必需的（de）信息。

      格德斯說，通過（guò）將測（cè）量（liàng）到的X射線頻譜與理論推測的進行比較，他們確定實驗中的電子束半徑（jìng）為0.1微米，此（cǐ）結果比（bǐ）過去任何實驗所獲得的都要小，同時（shí）也幫助他們估算出了電子束橫截麵的發射度，其為每（měi）千分之一弧度0.1厘米。

      格德斯補充（chōng）說，激（jī）光等離子加速器電（diàn）子束的（de）橫（héng）向發射度可與先進的自由（yóu）電（diàn）子激光器（qì）和伽馬射線源（yuán）常規加速器的相媲美。他們完成的多次模擬顯示，發射度取決於電子束縛在（zài）波動（dòng）中的特殊途徑，這為（wéi）今後進一步（bù）降低（dī）發射度奠定了基（jī）礎。

      科學家認為，未來的激光（guāng）電離子（zǐ）加速器既（jì）能作為基礎物理研究用的緊湊式高能（néng）對（duì）撞機，又能作為小型光源（yuán）。它們能夠用於探測從人工光合作用到“綠色分析”的（de）化學反應；了解（jiě）顯微鏡無法觀察的對認識生命和健康十分重要的（de）獨特生物結構；分析包括（kuò）低溫超導、拓撲絕緣體、自旋電子元件和石墨納米結構在內的有望給（gěi）電子產業帶（dài）來革命性變化的新材料。毫無疑問，激光等離子加速器所產生的光譜範圍從（cóng）微波（bō）到伽馬（mǎ）射線的高密度光束（shù），能夠為科學發展開拓新的領域。