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粒子加速器在半導(dǎo)體應(yīng)用、醫(yī)療、醫(yī)學(xué)成像、材料、能源和醫(yī)學(xué)研究方面具有巨大潛力。但傳統(tǒng)的加速器需要巨大的空間，造價(jià)昂貴。近日，科學(xué)家利用激光尾流場加速技術(shù)成功將千米級別的加速器縮短到不到 20 米。
近日，發(fā)表于《極端條件下的物質(zhì)與輻射》（Matter and Radiation at Extremes）的一篇文章顯示，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)成功研制了一款長度不到 20 米的緊湊型粒子加速器。這款緊湊型加速器可以產(chǎn)生能量為 100 億電子伏特（10 GeV）的電子束。
激光尾流場加速
聚焦在等離子體上的強(qiáng)激光脈沖可以激發(fā)非線性等離子體波。在適當(dāng)?shù)臈l件下，來自背景等離子體的電子被捕獲在等離子體波中，并可以加速到超光速。這種方案稱為激光尾流場加速器。
激光尾流場加速的加速度梯度比使用傳統(tǒng)射頻加速器技術(shù)獲得的加速度梯度高出大約 3 個(gè)數(shù)量級。從 1979 年，激光尾流場加速的概念首次被提出以來，它就一直被認(rèn)為有望將千米級的傳統(tǒng)加速器和輻射源縮小到房間大小的機(jī)器。
在新研究中，科學(xué)家進(jìn)行了激光尾流場加速器實(shí)驗(yàn) —— 用 1000 萬億瓦級別的激光激發(fā)尾流場以及納米粒子來幫助將電子注入尾流場的加速階段。結(jié)果顯示，用長約 10 厘米的納米粒子輔助激光尾流場加速器可以產(chǎn)生 340 pC、10±1.86 GeV 的電子束。（pC 即皮庫克，1 皮庫克為 1 庫克的一千億分之一。）這款加速器也可以產(chǎn)生能量較低的電子束（40～60 億電子伏特）。
緊湊型加速器
這款緊湊型加速器包括一個(gè)氣室、一個(gè)偶極磁體和兩個(gè)閃爍屏 DRZ1 和 DRZ2。整個(gè)裝置被放置在真空室內(nèi)。激光和電子束從右向左傳播。
氣室是加速器的核心部分。剝蝕激光通過頂部窗口聚焦到金屬板表面，并燒蝕產(chǎn)生納米顆粒。納米顆粒與氦氣混合，均勻地填充在氣室中。得克薩斯佩塔瓦激光器發(fā)射的激光通過一個(gè)直徑為 3 毫米的圓孔進(jìn)入氣室，并產(chǎn)生許多電子（通過另一個(gè)直徑為 3 毫米的圓孔離開氣室）。
高能加速器
不管是 100 億電子伏特，還是 40～60 億電子伏特，都屬于高能加速器。在全球，能達(dá)到 100 億電子伏特的加速器屈指可數(shù)，并且，這些圓形加速器的直徑大多都是千米級別。
高能加速器可以產(chǎn)生多種次級的高能粒子流，除了能進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)外，同樣也可以進(jìn)行低能和中能物理實(shí)驗(yàn)。除了物理實(shí)驗(yàn)，高能加速器還能模擬核武器爆炸的破壞效果，制造裂變材料等。
電子束在同步加速器中會(huì)產(chǎn)生同步輻射，這對于提高電子能量來說當(dāng)然是一件壞事，但同步輻射在分子生物學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、天體物理、非線性光學(xué)、半導(dǎo)體器件工藝方面都有非常廣泛的應(yīng)用。例如，用同步輻射束光刻可達(dá)到皮米級別，比用電子束來刻蝕細(xì)了 3 個(gè)數(shù)量級，如果技術(shù)成熟，未來或可將個(gè)人計(jì)算機(jī)縮小到火柴盒大小，甚至更小。
高能加速器產(chǎn)生的許多高能粒子對癌細(xì)胞都有殺傷作用?？刂坪酶吣芰Ｗ拥哪芰?，并使其剛好作用在人體中患癌的部分，就可以達(dá)到消除癌細(xì)胞，又避免破壞人體內(nèi)正常組織的目的。
科學(xué)家正在探索將這款加速器用于各種目的。他們希望用它來測試太空電子設(shè)備對輻射的抵抗能力，對新半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)的 3D 內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，甚至開發(fā)新的癌癥療法和先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。
這種加速器也可以用來驅(qū)動(dòng)另一種稱為 X 射線自由電子激光器的裝置 —— 可以為發(fā)生在原子或分子尺度上的過程拍攝“慢動(dòng)作電影”，例如，藥物與細(xì)胞的相互作用，可能導(dǎo)致電池著火的電池內(nèi)部變化，太陽能電池板內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，以及病毒蛋白感染細(xì)胞時(shí)的變化。
參考文獻(xiàn)：
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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