重塑粒子加速器：紧凑、强大，随时准备改变科学

研究人员推出了一种紧凑型粒子加速器，只需传统加速器所需的一小部分空间就能实现高电子能量，有望推动医疗、科学和技术应用领域的发展。粒子加速器在半导体应用、医学成像和治疗以及材料、能源和医学研究方面具有巨大潜力。但是，传统加速器对空间场地有很高的要求且价格昂贵，目前仅限于少数国家实验室和大学使用。

加速器技术取得突破
来自美国德州大学奥斯汀分校、多个国家实验室、欧洲多所大学以及TAU Systems公司的研究人员展示了一种长度不到20米的紧凑型粒子加速器，它能产生能量为100亿电子伏特（10 GeV）的电子束。目前，美国只有另外两台加速器能够达到如此高的电子能量，但这两台加速器都长约3公里。

合作研究小组开发出了一种紧凑型粒子加速器，能够以比传统加速器小得多的体积产生高能电子束。这一突破为医学、半导体和科学研究带来了新的可能性，并计划进一步小型化和提高实用性

德州大学物理副教授兼TAU Systems首席执行官Bjorn Hegelich说：“我们现在可以在10厘米内达到这些能量。他指的是产生光束的腔室大小。他是最近发表在《极端物质与辐射》杂志上一篇论文的资深作者。

扩大加速器技术的应用范围
Hegelich和他的团队目前正在探索将他们的加速器（称为先进的尾流场激光加速器）用于多种用途。他们希望用它来测试太空电子设备的抗辐射能力，对新型半导体芯片设计的三维内部结构进行成像，甚至开发新型癌症疗法和先进的医学成像技术。

这种加速器还可用于驱动另一种名为X射线自由电子激光器的设备，它可以拍摄原子或分子尺度上的慢动作过程。这类过程的例子包括药物与细胞的相互作用、可能导致电池起火的电池内部变化、太阳能电池板内部的化学反应以及病毒蛋白质在感染细胞时的形状变化。

技术进步和未来目标
尾流场激光加速器的概念最早出现在1979年。功率极强的激光击中氦气，将其加热成等离子体并产生波浪，将气体中的电子击出高能电子束。在过去几十年里，许多研究小组开发出了更强大的版本。Hegelich和他的团队的关键进展依赖于纳米粒子。辅助激光照射气室内的金属板，金属板注入金属纳米粒子流，从而增强了电子波的能量。

这个气体池是德州大学奥斯汀分校研制的紧凑型尾流场激光加速器的关键部件。在气室中，一台功率极大的激光器撞击氦气，将其加热成等离子体并产生波浪，将气体中的电子以高能电子束的形式击出

激光就像一叶扁舟划过湖面，留下一道波纹，电子就像冲浪者一样乘着这道等离子体波浪前进。Hegelich说：“要进入大浪中而不被压倒是很难的，所以冲浪者会被水上摩托艇拖入浪中。在我们的加速器中，相当于喷气滑雪板的是纳米粒子，它们能在正确的时间和正确的点释放电子，因此它们都在波浪中。我们会在我们希望的时间和地点让更多的电子进入波中，而不是在整个交互过程中统计分布，这就是秘诀。”

在气室中，功率极强的激光照射氦气，将氦气加热成等离子体，并产生电波将气体中的电子以高能电子束的形式发射出去。通过顶部窗口照射并撞击金属板的次级激光器产生的纳米粒子，可增强传输到电子上的能量

在这项实验中，研究人员使用了世界上最强大的脉冲激光器之一——德克萨斯皮塔瓦激光器（Texas Petawatt Laser）。单个皮塔瓦激光脉冲的功率约为美国装机功率的1000倍，但持续时间只有150飞秒，不到闪电放电时间的十亿分之一。该团队的长期目标是用目前正在开发的激光器驱动系统，这种激光器可以放在桌面上，每秒可以重复发射数千次，从而使整个加速器比传统加速器更加紧凑，适用范围更广。

该研究的共同第一作者是现就职于德国杜塞尔多夫海因里希-海涅大学的通讯作者Constantin Aniculaesei和德州大学博士生、TAU系统研究员Thanh Ha，此外还包括德州大学的其他教师Todd Ditmire和Michael Downer教授。

德州大学奥斯汀分校研制的紧凑型尾流场激光加速器图。激光束从右侧进入气室，在气室中产生电子束，电子束最终进入两个闪烁屏（DRZ1和DRZ2），在左侧进行分析

Hegelich和Aniculaesei已经提交了一份专利申请，描述了在气室中生成纳米粒子的设备和方法。从Hegelich实验室分离出来的TAU Systems公司从德州大学获得了这项基础专利的独家许可。作为协议的一部分，德州大学获得了该公司的部分股份。

这项研究得到了美国空军科学研究办公室、美国能源部、英国工程与物理科学研究委员会和欧盟地平线2020研究与创新计划的支持。