人類史上最強電子束誕生了：功率相當于100萬座核電站，拍瓦級脈沖開啟新紀元

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2025-05-12 19:13:23 騰訊新聞

人類史上最強電子束誕生了：功率相當于100萬座核電站，拍瓦級脈沖開啟新紀元！2025年2月，美國SLAC國家加速器實驗室成功產(chǎn)生了史上最大電流和峰值功率的電子束，瞬間電流高達10萬安培。

科學家們將許多高能量電子壓縮到極短時間內(nèi)，獲得了有史以來最大電流、最大峰值功率的電子束，實現(xiàn)了拍瓦級的電子束脈沖。這種超快超強的電子束不僅可以檢測化學過程，模擬天體物理中的等離子體現(xiàn)象，將來甚至有可能用于探測真空的本質(zhì)。

電子束脈沖是由高能電子組成的時間短、強度高的電子流，常用于科研和工業(yè)領域。這次科學進展主要體現(xiàn)在脈沖時間特別短和電流強度特別大。簡單地說，科學家們把電子加速到很高的能量（大約10GeV，即100億電子伏），并將10億個這樣的電子壓縮到極短時間內(nèi)（1飛秒，即1千萬億分之一秒），瞬間電流達到10萬安培，使得瞬間功率達到拍瓦（即一萬億千瓦），相當于100萬座核電站的總功率，但持續(xù)時間非常短。

SLAC指的是斯坦福直線加速器中心，是美國能源部下屬的國家實驗室，專注于高能物理和粒子物理學研究。產(chǎn)生10億個電子并將其加速到100億電子伏對那里的科學家來說相對容易。真正的挑戰(zhàn)在于如何把這些能量為100億電子伏的10億個電子團結起來一起進步。每個電子的能量略有差別，出發(fā)時間也稍有先后，在起步時，這個以接近光速飛奔的電子隊列長度約為1毫米，每個電子的能量約為1億電子伏。為了實現(xiàn)超快超強的電子束脈沖，科學家必須將每個電子的能量提高到100億電子伏，并將電子隊列的長度壓縮到0.3微米，僅有一根頭發(fā)絲直徑的百分之一。

為了實現(xiàn)這一壯舉，科學家們首先利用FACET-II設施提供了能量為125 MeV的電子束，然后通過一系列微波加速腔將其加速至10 GeV能量，中間穿插使用了三個束流壓縮器。能夠產(chǎn)生飛秒級電流尖峰的關鍵硬件是激光加熱器，利用一束能量分布經(jīng)過精心設計的激光給電子束“加熱”，改變電子的能量分布，形成了“啁啾”。在聲學和光學里，“啁啾”指的是波的頻率隨時間變化的現(xiàn)象。而在電子束中，啁啾指的是電子的能量分布隨時間變化，有的電子能量高，有的電子能量低，形成一個能量梯度?？茖W家們就是利用這種現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)電子的能量分布來壓縮電子束，使其變得更短、更密集。

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