将加速器缩短到 20 米，对未来的电子设备微型化、精准医疗、太空探索都意义非凡

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

粒子加速器在半导体应用、医疗、医学成像、材料、能源和医学研究方面具有巨大潜力。但传统的加速器需要巨大的空间，造价昂贵。近日，科学家利用激光尾流场加速技术成功将千米级别的加速器缩短到不到 20 米。

近日，发表于《极端条件下的物质与辐射》（Matter and Radiation at Extremes）的一篇文章显示，得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家带领的科学团队成功研制了一款长度不到 20 米的紧凑型粒子加速器。这款紧凑型加速器可以产生能量为 100 亿电子伏特（10 GeV）的电子束。

激光尾流场加速

聚焦在等离子体上的强激光脉冲可以激发非线性等离子体波。在适当的条件下，来自背景等离子体的电子被捕获在等离子体波中，并可以加速到超光速。这种方案称为激光尾流场加速器。

激光尾流场加速的加速度梯度比使用传统射频加速器技术获得的加速度梯度高出大约 3 个数量级。从 1979 年，激光尾流场加速的概念首次被提出以来，它就一直被认为有望将千米级的传统加速器和辐射源缩小到房间大小的机器。

在新研究中，科学家进行了激光尾流场加速器实验 —— 用 1000 万亿瓦级别的激光激发尾流场以及纳米粒子来帮助将电子注入尾流场的加速阶段。结果显示，用长约 10 厘米的纳米粒子辅助激光尾流场加速器可以产生 340 pC、10±1.86 GeV 的电子束。（pC 即皮库克，1 皮库克为 1 库克的一千亿分之一。）这款加速器也可以产生能量较低的电子束（40～60 亿电子伏特）。

紧凑型加速器

这款紧凑型加速器包括一个气室、一个偶极磁体和两个闪烁屏 DRZ1 和 DRZ2。整个装置被放置在真空室内。激光和电子束从右向左传播。

气室是加速器的核心部分。剥蚀激光通过顶部窗口聚焦到金属板表面，并烧蚀产生纳米颗粒。纳米颗粒与氦气混合，均匀地填充在气室中。得克萨斯佩塔瓦激光器发射的激光通过一个直径为 3 毫米的圆孔进入气室，并产生许多电子（通过另一个直径为 3 毫米的圆孔离开气室）。

高能加速器

不管是 100 亿电子伏特，还是 40～60 亿电子伏特，都属于高能加速器。在全球，能达到 100 亿电子伏特的加速器屈指可数，并且，这些圆形加速器的直径大多都是千米级别。

高能加速器可以产生多种次级的高能粒子流，除了能进行高能物理实验外，同样也可以进行低能和中能物理实验。除了物理实验，高能加速器还能模拟核武器爆炸的破坏效果，制造裂变材料等。

电子束在同步加速器中会产生同步辐射，这对于提高电子能量来说当然是一件坏事，但同步辐射在分子生物学、表面物理、表面化学、天体物理、非线性光学、半导体器件工艺方面都有非常广泛的应用。例如，用同步辐射束光刻可达到皮米级别，比用电子束来刻蚀细了 3 个数量级，如果技术成熟，未来或可将个人计算机缩小到火柴盒大小，甚至更小。

高能加速器产生的许多高能粒子对癌细胞都有杀伤作用。控制好高能粒子的能量，并使其刚好作用在人体中患癌的部分，就可以达到消除癌细胞，又避免破坏人体内正常组织的目的。

科学家正在探索将这款加速器用于各种目的。他们希望用它来测试太空电子设备对辐射的抵抗能力，对新半导体芯片设计的 3D 内部结构进行成像，甚至开发新的癌症疗法和先进的医学成像技术。

这种加速器也可以用来驱动另一种称为 X 射线自由电子激光器的装置 —— 可以为发生在原子或分子尺度上的过程拍摄“慢动作电影”，例如，药物与细胞的相互作用，可能导致电池着火的电池内部变化，太阳能电池板内部的化学反应，以及病毒蛋白感染细胞时的变化。

参考文献：

The acceleration of a high-charge electron bunch to 10 GeV in a 10-cm nanoparticle-assisted wakefield accelerator | Matter and Radiation at Extremes | AIP Publishing

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