Research press release


Nature Communications

Physical science: Accelerating X-rays in the lab


粒子加速器は、さまざまな科学分野で重要な技術であることがわかっており、特に粒子加速器によって生成されるX線は、生物学、化学、材料の研究に利用できる。しかし、そのために通常用いられるシンクロトロンや線形加速器は、国立の大型施設に設置され、キロメートルという長さスケールになっている。これに対して、レーザープラズマ加速器は、わずか数センチメートルの長さで、シンクロトロンの場合と同等のエネルギーに電子を加速できる。レーザープラズマ加速では、強力なレーザーパルスを用いてプラズマ中に電場を発生させ、この電場によって、電子が高速、高エネルギーに加速される。これまでのところ、測定されたエネルギーの最高値は、約1 GeVだった。 今回、Michael Downerたちは、新しい高出力レーザー技術を利用して、達成可能なエネルギー値を2 GeVまで高めた。そして、加速された電子のエネルギー幅は非常に狭く、狭帯域のX線の生成に適している。この新たなシステムで達成された実験パラメーターは、卓上型X線源や次世代の粒子衝突型加速器に適合している。

The first electrons produced at an energy of 2 gigaelectronvolts (GeV) using laser-plasma acceleration are reported in Nature Communications this week. The result marks an important step in the development of laser-based table-top particle accelerators, which could bring work to generate X-rays - currently carried out in large facilities - in to the laboratory.

Particle accelerators have proven an important technology for many branches of science, particularly as they produce X-rays that can be used for biological, chemical, or materials research. But the usual synchrotrons or linear accelerators are large national facilities on kilometre length scales. Laser-plasma accelerators, on the other hand, can accelerate electrons to similar energies as synchrotrons over just a few centimetres. These alternative schemes use an intense laser pulse to create an electric field in plasma that subsequently drives electrons to high speeds and high energies. Up to now, the highest energies measured were around 1 GeV.

Michael Downer and colleagues utilise new high-power laser technology to increase the energy achievable up to 2 GeV. The energy spread of the accelerated electrons is very narrow, making them suitable for producing narrow bandwidth X-rays. The experimental parameters achieved with the new system are suitable for potential table-top X-ray sources or possible future particle colliders.

doi: 10.1038/ncomms2988

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