欧洲草拟基于等离子体尾场加速的粒子加速器计划

来自欧洲各地的物理学家概述了基于“等离子尾波场”建造新型加速器设施的计划。该项目被命名为“具??有卓越应用前景的欧洲等离子研究加速器”（EuPRAXIA），该计划设想在欧洲的一个或两个地点建造高能等离子体设备。其目的是与常规射频技术的加速器相比，，尤其是与工业相关的加速器，从根本上降低加速器的尺寸和成本。

等离子体尾场加速器利用了极高的电场梯度，该梯度是在激光脉冲或带电粒子高速通过等离子体时产生的。由脉冲后部电子和离子的急剧分离产生的电场梯度，可用于将在脉冲后移动的电子在很短的距离内加速到非常高的能量。

模拟等离子尾波加速概念图。

研究人员已经在实验室中证明了尾场加速的原理，实现了高达100 GeVm-1的梯度，相比之下，射频腔可能达到的大约0.1 GeVm-1。然而，由来自五个欧洲国家的16个研究所的研究人员组成的EuPRAXIA联盟旨在表明，该技术可以被工业界和学术界用来实现一系列应用。

EuPRAXIA项目带来的直接收益

在10月底发布但尚未正式宣布的概念设计报告表示，打算建造的由高功率激光器和传统电子加速器共同供电的等离子体加速器，以产生具有能量的高质量电子束在1和5 GeV之间。这些光束可用于一系列应用，包括医学成像，正电子产生，材料测试，最重要的是为紧凑型自由电子激光器（FEL）供电。

现有的FEL使用铜腔或超导腔将电子加速为高能，然后用磁铁迫使粒子围绕急剧的弯曲，从而使它们发出异常明亮的X射线闪光。但是，位于欧洲，美国和亚洲的全球领先设备长达数百米，即使不是几千米。例如，等离子加速器可能具有更高的梯度，这有可能使FEL小到足以适合医院的需要。EuPRAXIA的传播负责人，利物浦大学的物理学家Carsten Welsch补充说，现在FEL被严重超额认购。

该联盟在其报告中提出了新设施的几种方案及其相关成本。其中，最昂贵的花费是3.2亿欧元，包括在不同的地点建造激光驱动和电子驱动的加速器，并具有多种应用以及广泛的激光研发计划。但是，由电子束供电的单一类型加速器与FEL结合的建造成本为6800万欧元，而使用激光则为7500万欧元。

项目地点

该项目最初打算提出一个独立于任何地点的等离子加速器设施的设计。最后，电子加速器被设置在罗马郊外的弗拉斯卡蒂国家实验室。那里的研究人员已经着手建立一个等离子体装置，该装置可使先进的射频腔所提供的能量增加一倍。

另外，该报告列出了激光驱动加速器的四个可能站点。其中两个在意大利Frascati实验室和比萨国家光学研究所，另外两个是位于捷克共和国布拉格附近的ELI Beamlines激光中心和位于英国牛津郡的卢瑟福·阿普尔顿实验室。

根据Welsch的说法，如果EuPRAXIA获得批准，则应该在10年内实现为用户供光。至于使用该装置来加速电子进行粒子物理实验的方面，由于所涉及的能量太低，目前看来是无法做出重大发现的。