直到最近，美國(guó)只有兩臺(tái)運(yùn)行中的粒子加速器能夠產(chǎn)生100億電子伏特或更高能量的電子束，這兩臺(tái)機(jī)器都大約有3公里長(zhǎng)。現(xiàn)在，在一項(xiàng)新的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)只有10厘米長(zhǎng)的設(shè)備。科學(xué)家們補(bǔ)充道，這一進(jìn)步可能產(chǎn)生的強(qiáng)大的緊湊型粒子加速器可能會(huì)應(yīng)用于癌癥治療和新的3D芯片設(shè)計(jì)（https://spectrum.ieee.org/amd-3d-stacking-intel-graphcore）的3D成像。

新設(shè)備背后的概念于1979年首次被描述。一種極其強(qiáng)大的激光照射氣體，產(chǎn)生等離子體，而等離子體中的波以高能束的形式將電子去除。

這些“尾流場(chǎng)加速器能夠以大約1000倍于使用傳統(tǒng)千米級(jí)粒子加速器的效率為單個(gè)電子提供慣性。科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為，尾流場(chǎng)加速機(jī)可以將千米級(jí)設(shè)施縮小到房間大小或更小。

尾流場(chǎng)加速器面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，由于激光和氣體條件的微小變化，其電子束的性質(zhì)會(huì)有多大波動(dòng)。在這項(xiàng)新的研究中，研究人員試圖使用納米顆粒來(lái)提高尾流場(chǎng)加速器的穩(wěn)定性。

研究人員首先向充滿氦氣的室內(nèi)的鋁板發(fā)射激光脈沖。這就在氣體內(nèi)部產(chǎn)生了一團(tuán)鋁顆粒，每一個(gè)大約有10納米寬。

然后，科學(xué)家們向室內(nèi)的氣體和納米顆粒混合物發(fā)射了世界上最強(qiáng)大的脈沖激光器之一，奧斯汀的Texas Petawatt Laser。這臺(tái)機(jī)器每小時(shí)可以發(fā)射一個(gè)PB瓦的激光脈沖。這次爆發(fā)將這一PB瓦（是美國(guó)裝機(jī)功率的1000倍）合并成一個(gè)150飛秒的脈沖，相當(dāng)于閃電持續(xù)時(shí)間的十億分之一。

“They’ll become the cutting-edge research tools for everything from material science, bio, chemistry and more. They will enable critical research for new batteries, solar cells, designer pharmaceuticals, vaccines, drugs, and hundreds of other industries”
—Bjorn Manuel Hegelich, University of Texas at Austin

納米顆粒有助于提高從等離子體波傳遞給電子的能量。這項(xiàng)研究的資深作者、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家Bjorn Manuel Hegelich說(shuō)，這使得更多的電子出現(xiàn)在需要的時(shí)候和地方。

UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN

Hegelich團(tuán)隊(duì)的新加速器能夠發(fā)射100億電子伏特（10GeV）的電子束。它還可以產(chǎn)生4 GeV到6 GeV范圍內(nèi)的低能量光束。他還是TAU Systems的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，該公司持有該新設(shè)備專利的獨(dú)家許可證。

低能量光束的近期應(yīng)用包括新的3D芯片設(shè)計(jì)的3D成像、癌癥的電子療法、太空電子的輻射測(cè)試，“以及診斷 —— 它可以實(shí)現(xiàn)X射線誘導(dǎo)聲學(xué)計(jì)算機(jī)斷層掃描等新方法，”Hegelich說(shuō)。

Hegelich說(shuō)，100億電子伏特束的最大應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)X射線自由電子激光器，這是“終極的X射線顯微鏡，在空間和時(shí)間上都能實(shí)現(xiàn)分子分辨率”。“它們將成為材料科學(xué)、生物、化學(xué)等領(lǐng)域的尖端研究工具。它們將為新電池、太陽(yáng)能電池、名牌制藥、疫苗、藥物和數(shù)百個(gè)其他行業(yè)提供關(guān)鍵研究。”

Hegelich說(shuō)，目前全球只有少數(shù)這種激光器可用，“這意味著使用它們的途徑和可用時(shí)間非常有限”。他補(bǔ)充道，他們的研究可能會(huì)將這些機(jī)器“從校園縮小到實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，這樣你就可以在每一所大型大學(xué)甚至公司都有一臺(tái)。這將使訪問(wèn)民主化，使更多的研究和行業(yè)可以訪問(wèn)波束時(shí)間。”

科學(xué)家們?cè)谘芯窟^(guò)程中面臨的主要挑戰(zhàn)是，Texas Petawatt Laser每天只發(fā)射大約四到五次，而能量和脈沖持續(xù)時(shí)間等激光參數(shù)“可能會(huì)有很大的波動(dòng)，因?yàn)橄到y(tǒng)的某些部分已經(jīng)很舊了，”Hegelich說(shuō)，“總體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較匱乏。”

Hegelich說(shuō)，未來(lái)，科學(xué)家們希望使用具有更高發(fā)射率的更小激光器重復(fù)他們的研究，以收集數(shù)據(jù)，幫助他們“精確控制這種新機(jī)制”。Hegelich說(shuō)，他們希望將射速“從每小時(shí)一次提高到每秒100次左右，然后再提高到每秒10000次以上”。

Hegelich說(shuō)，這樣的研究可以將這種基于納米顆粒的加速器“縮小到較低的激光脈沖能量，同時(shí)保留我們觀察到的優(yōu)勢(shì)”。“這將使我們能夠用給定的激光達(dá)到更高的電子能量，或者用較小的激光達(dá)到目標(biāo)電子能量。”

審核編輯：劉清