美国能源部斯劳克国家加速器实验室与加州大学洛杉矶分校的研究人员共同设计了一项创新技术，可在体积仅为现有粒子加速器一小部分的加速器中，同时产生高能量与高亮度的电子束。

这项突破有望缩小未来粒子对撞机和X射线自由电子激光器的体积，这些设备被研究人员用于探索自然界的基本构成单元和运行机制。

在最新研究中，由加州大学洛杉矶分校牵头的研究团队开发出新型等离子体尾场加速器（PWFA）。该装置通过让电子“冲浪”等离子体波获取能量，而非从传统加速器金属结构内的电磁场中汲取能量。

该等离子体加速器利用SLAC国家加速器实验室先进加速器实验测试设施（FACET-II）产生的独特电子束，在仅4米长的等离子体腔室内就使新产生的电子能量提升逾一倍——若采用传统线性加速器则需超过1公里长度。此外，其束流亮度较FACET-II束流提升了十倍以上。

这项成果创下了等离子体加速器的新世界纪录，实现了高能量增益与高束流质量的史无前例的结合。

“这项工作只能在SLAC完成，因为我们FACET-II具备其他地方所没有的能力，”FACET-II主任、该研究的合著者马克·霍根表示。

“我们拥有高能量、高峰值电流的束流，以及用于等离子体源和先进诊断的基础设施，这使得我们先进加速器领域的科研人员能够尝试新一代加速器的新科学和新技术。”

十年来，科研人员一直利用强力电子束探测自然世界。这些电子束也是尖端X射线自由电子激光的核心，例如SLAC国家加速器实验室世界领先的直线加速器相干光源（LCLS）。其产生的高亮度X射线使人们能够前所未有地研究运动中的原子和分子，为发现量子材料、新型药物和能源技术铺平道路。

然而这类尖端设备通常需要庞大的粒子加速器——电子在金属腔体内的电场中加速以产生所需的高能高亮度电子束。

一种极具前景的缩短加速器技术，是用离子化气体（即等离子体）单元替代金属腔体。等离子体能承受更强的加速梯度，有望在更短距离内实现同等能量提升。

在等离子体尾场加速器中，首束电子束（驱动束）穿过等离子体激发出等离子体波，随后第二束电子束“乘浪”而上，获得越来越高的能量。

虽然这个想法并非新颖，且此前已实现过高能量增益，但提高电子能量只是成功的一半。论文第一作者、加州大学洛杉矶分校科学家张超杰表示：“我们领域的主要挑战之一，是在不牺牲电子束亮度（其质量的关键指标）的前提下提升能量。”

如今，加州大学洛杉矶分校-SLAC团队找到了兼顾两者的方法：同时提升束流能量与亮度。

在电气与计算机工程学教授钱德拉谢卡·乔希的带领下，加州大学洛杉矶分校的研究人员为FACET-II实验开发了一种新型等离子体源。

“我们的等离子体源通过三阶段集成不同功能而独具特色，”张教授解释道。

第一级作为等离子体透镜，将FACET-II产生的驱动束聚焦至足够小的尺寸以激发等离子体尾流。此时驱动束直径仅为人发丝的几分之一，开始推动等离子体电子让路，形成类似航行船只尾流的气泡。

“所有神奇现象都发生在这个气泡中，”霍根表示。在传统脉冲场加速器中，FACET-II产生的第二束电子束会被注入气泡以获取能量。

“这项工作的突破在于第二等离子体阶段——此时等离子体密度急剧下降，使气泡迅速拉伸膨大，”霍根说明道，“这将驱动束排挤的等离子体电子困在气泡后方，形成新的电子束。”

换言之，这项新技术无需向等离子体注入第二束流——等离子体能将驱动束流的能量转化为高能高亮度的新束流。

最终，在新束流进入末端两米区域时，它将乘着等离子体波浪前行，在驱动束流的能量支撑下获得巨大能量提升。