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光纤激光器造对撞机 破解能源危机指日可待

导读: 科学家通过相干放大网络技术的启发,认为采用激光技术可产生强烈单色光束,组成大规模光纤激光器阵列,基于这项新技术的研究已经在欧洲核子研究中心的实验室进行,并更多地应用到质子治疗和核化学实验上,质子治疗是一种先进的癌症治疗技术。

科学家通过相干放大网络技术的启发,认为采用激光技术可产生强烈单色光束,组成大规模光纤激光器阵列,基于这项新技术的研究已经在欧洲核子研究中心的实验室进行,并更多地应用到质子治疗和核化学实验上,质子治疗是一种先进的癌症治疗技术。本项研究超过已经发表在《自然光子学》期刊上。科学家认为激光可以在很短的时间内提供强大的能量照射,该技术的成熟化运行后在极短时间内激发出的能量是全球产能的1000倍数量级,因此基于激光技术的大型对撞机将是未来取代LHC的先进粒子加速器。

先进的紧凑型粒子加速器的应用前景十分广阔,不仅可用于粒子物理实验,也可以开发新型药物,比如目前最先进的癌症治疗技术之一的质子治疗,也可以降低使用放射性物质对生态环境造成的破坏,传统核原料产生的放射性污染可能影响数万年之久。当前,有两个主要的瓶颈阻碍着高强度激光技术的发展,第一,传统的激光技术只能每秒形成一个激光脉冲,而如果将该技术应用到实际情况,那就需要每秒可产生数万次的激光脉冲。第二,目前超强激光器的“效率”很低,输出能量仅占到输入能量的一小部分,粒子对撞需要输出功率达到兆瓦级的水平,因此在当前极低的输出能量前提下无法达到设计实验要求,在经济上几乎是不可行的。

科学家认为新的粒子对撞机将采用先进的激光技术,瞬间输出能量可超过全球电力千倍

科学家认为新的粒子对撞机将采用先进的激光技术,瞬间输出能量可超过全球电力千倍

对此,在欧盟相关联合会的资助下,南安普敦大学光电子研究中心、德国耶拿大学以及欧洲核子研究中心等全球12家顶级实验室开始对高能量重复性激光脉冲源进行研究,旨在提高光纤激光器的效率和可控性。高能物理的研究需要大型加速器,其大小几乎都达到数公里,建造这样的加速器需要花费数十亿欧元的资金,因此,如何减少加速装置的规模和成本,并达到同样的实验目的是未来高能物理学研究的关键。

大型强子对撞机紧凑μ子线圈(CMS)示意图

大型强子对撞机紧凑μ子线圈(CMS)示意图

南安普敦光电子研究中心博士比尔·布罗克尔斯比认为一个典型的未来高能物理研究装置需要使用成千上万的光纤维,每组纤维携带部分激光能量,这样就可以产生强大的输出功率,同时也提供了更大的表面冷却面积,可进行多次重复性操作。初步的概念验证表明,目前的技术发展可控制数千激光纤维,将电子加速至数个GeV(10的九次方电子伏特)。因此,未来大型对撞机采用的技术将是革命性的,克服输出功率和材料等的问题后,粒子对撞实验将达到一个新的高度。

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