马克斯·普朗克|马克斯·普朗克物理研究所：一种未来的粒子加速器技术粒子加速器|拉法埃尔·马克斯

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一种未来的紧凑型粒子加速器技术，英文全称：Advanced WAKEfield Experiment ，缩写：AWAKE ，译为：高级尾场实验
，该实验使用质子束作为驱动器来研究尾场等离子加速，使质子束同步
，为全球首创。它旨在通过创建几GV / m的高加速梯度，在短距离（10m）内将低能目击者电子束从15-20 MeV加速到几GeV 。当前使用的粒子加速器，如欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，使用标准或超导RF腔（RF-cavities）进行加速，但它们的加速度梯度仅限于100 MV / m 。
如图所示马克斯·普朗克物理研究所开发的AWAKE的10米长的等离子设备单元，粒子加速器的未来已经开始。对于这样的全新的方法， AWAKE是一个很有前途的技术，利用该方法即使在短距离内也可以加速粒子。
如图所示一列短质子束穿过等离子场，形成一个波，在波上可以加速电子。
【马克斯·普朗克|马克斯·普朗克物理研究所：一种未来的粒子加速器技术】
由于同步加速器辐射能量损失大，圆形加速器不能有效地传输高能电子。线性加速器没有这个问题，因此更适合于以高能量加速和传输电子。
AWAKE的高加速度梯度将允许构建更紧凑、更便宜的新一代高能加速器，这代表了粒子加速器技术的一大进步，特别是对于线性电子加速器。如图所示质子束驱动的等离子体尾场加速，模拟质子束（红点）和等离子流场（蓝波）之间的相互作用。
等离子体由带正电的离子和带负电的自由电子组成，而在宏观上保持中性。如果施加强电场，则离子和电子可以在空间上分离。由此产生局部电场，从而可以加速进入这种等离子体的带电粒子。当驱动器（带正电的质子束）穿透等离子体时，它吸引带负电的等离子体电子，它们超调并开始振荡，从而产生了一个磁场。
AWAKE首次使用一堆质子作为驱动器进行等离子体尾流场实验。质子，例如形成欧洲核子研究组织的超级质子同步加速器（SPS）的质子，可以携带大量能量（400 GeV）。由于能量耗尽，它们在等离子体中产生尾流，其距离远比作为驱动器的激光脉冲或电子束长得多。
AWAKE的质子束从欧洲核子研究组织的超级质子同步加速器提取，通过约800米的束线传输到10米长的AWAKE蒸气源。电子见证束被注入质子束的后面。为了检测注入的电子的加速度，在蒸气之后安装了偶极磁体，弯曲了它们的路径。电子的能量越大，其路径的曲率越小。闪烁屏幕然后检测加速的电子。
如图所示一米宽的闪烁体，显示它们是否已加速。本质上，这是一个屏幕，每当带电粒子通过时，该屏幕都会亮起。
等离子体波的基础是使电子加速并因此将其带到高能量的等离子波。马克斯·普朗克物理研究所领导的研究团队现在报告了在这种情况下的突破。他们第一次能够精确地计时质子微束的产生，这些质子束会驱动等离子体中的波。这满足了使用AWAKE技术进行碰撞实验的重要前提。
如何产生电子波？用于这样的载体物质是等离子体，即其中正电荷和负电荷分开的电离气体。引导质子束穿过等离子体会产生一个波，电子在该波上骑行并被加速为高能。
科学家利用自我调节的优势，即质子束与等离子之间的“自然”相互作用。在此过程中，较长的质子束被分成了只有几毫米长的高能质子微束，这个过程形成一个等离子波，它通过等离子场传播。
如图所示在欧洲核子研究组织研究中心设置AWAKE实验装置。
精确的定时可以实现理想的电子加速
但是，需要一个稳定且可复制的场来加速电子并使它们碰撞。这正是研究团队目前找到的解决方案。
马克斯·普朗克物理研究所AWAKE实验组负责人Patric Muggli说： “如果在注入长质子束时施加足够大的电场，则自调制将立即开始运动。 ” “由于立即形成了等离子体，我们可以精确计时短质子微束的相位。 ” “这使我们能够设定速度。因此，在理想时刻，电子被波捕获并加速。 ”