瞬间能量相当于100万个核电厂！历史上最大的电流来了

05-13 09:16

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2025 年 2 月，美国 SLAC 全国加速器实验室成功地生成了历史上最大电流和峰值功率的电子束，瞬时电流高达 10 万安培。

发文 | 姬扬(浙江大学物理学院)

2025 年 2 月，美国 SLAC 国家加速器实验室的科学家将许多高能电子电子压缩到短时间内，获得了迄今为止电流最大、功率最高的电子束，完成了瓦级电子束脉冲。这一极快、极强的电子束不仅可以检测化学过程，还可以模拟星体物理中的等离子体现象，甚至可以用来检测真空的本质。所以，什么是电子束脉冲？这个进展的具体体现在哪里？未来还有哪些突破？

电子束脉冲是一种时间短、强度高的高能电子流，常用于科学研究和工业领域。这一科学进展主要表现为脉冲时间特别短，电流强度很大。简而言之，科学家们将电子加速到高能量(大概) 十GeV，即10GeV 100 亿电子伏）、把 10 一亿次这种电子压缩到很短的时间(一亿次) 飞秒，即飞秒 1 千万亿分之一秒)，瞬时电流达到 10 万安培，促使瞬时功率达到拍瓦(即一万亿千瓦)，相当于 100 一万个核电厂的总功率，但持续时间很短。

SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）它指的是美国能源部下属的国家实验室斯坦福直线加速器中心，致力于高能物理和粒子物理的研究。 10 一亿次电子，加速每一个电子 100 对于那里的科学家来说，亿电子伏只是小菜一碟。如何将这些能量作为真正的挑战 100 亿电子伏的 10 一亿次电子团结一心一意进步，因为每个电子的能量略有不同，出发时间也略有顺序。起步时，以接近光速奔跑电子序列的长度约为 1 mm，每一个电子的能量大约是 1 为实现极快、极强的电子束脉冲，亿电子伏，科学家必须将每一个电子能量提高到 100 亿电子伏，将电子序列的长度压缩到一定程度 0.3 μm，头发直径的百分之一只有一根。

为实现这一壮举，科学家们首先使用它。 FACET-II 设备提供能量 125 MeV 电子束，然后通过一系列微波加速腔将其加速到 10 GeV 三个束流压缩器穿插在能量中间。激光加热器是能带来飞秒电流峰值的关键硬件。它利用一束精心设计的能量分布给电子束“加热”，改变了电子的能量分布，形成了“唧唧”。声学和光学中，“唧唧”是指波的频率随时间变化的情况。但是在电子束中，唧唧是指电子的能量分布随着时间的推移而变化，有的电子能量高，有的电子能量低，形成能量梯度。在这种情况下，科学家们通过调整电子能量分布来压缩电子束，使电子束变得更短、更密集。

由于相对论效应，电子能量的提高代表着速度的提高，即更接近光速，从而缩短序列的长度。从 1 亿电子伏到 100 亿电子伏，可以使队列长度从 1 mm缩短到 10 μm，但仅仅这样是不够的。必须运用唧唧，也就是电子速度分布的差异，让跑得快的电子多跑一些路程，让跑得慢的电子走近路。这种磁石部件被称为“降速弯”，以及独特的磁石，被称为“起伏器”。前者用于常规压缩，后者是成功的关键。科学家将精心设计的激光脉冲与电子束重叠，起伏器迫使电子左右摆动，从而与光交换能量，促进电子束增加更有用的叽叽喳喳结构，最终在电子束流中产生总宽度。 0.3 μ超强电子脉冲m。

也就是说，通过激光和磁场的巧妙结合，科学家将电子束“捏”成一个极其短小和集中的脉冲，从而实现了历史上最大的电流和峰值功率。

瓷砖级电子脉冲的应用潜力非常广泛，几乎可以覆盖从基础科学到实用技术的许多领域。例如，它们可以用来模拟宇宙中的极端环境，帮助我们理解天体物理中的一些奇怪现象；它可以用来研究强场量子电动力学，探索极端环境下光和物质的相互作用；它还可以用来研究极快的化学变化，帮助我们观察化学变化必须涉及的量子力学过程。

这种极快的超强电子束肯定会促进对高能物理和基本粒子物理的研究，甚至可以用来驱动未来的光源和粒子加速器。

它甚至可能帮助我们探索真空的本质。科学家指出，超级电子束可以产生超级电场，与超级激光脉冲的碰撞可能会使空间暴露在相对较强的电极化中。如果电场足够强大，它就会撕裂真空，产生颗粒。 - 反粒对，这是量子物理早就预测过的神奇现象，但还没有看到。

如今，这项工作缩短了以前最短的电子束脉冲。 5 倍数，为了撕裂真空，检测量子物理推测的目标，电子脉冲应该再次缩短 10 倍数。科学家们正计划用等离子体模块代替激光，建立一个更加复杂的计划。

如果能产生更强大、更准确的电子束，未来的科学研究将变得更深入、更广泛。现在，让我们为更快更强的电子束脉冲带来的冲击做好充分的准备。

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