紧凑型激光等离子加速器打破质子能量记录

紧凑型激光等离子加速器打破质子能量记录 HZDR 的一个研究小组采用一种创新方法，成功地通过激光脉冲大幅提高了质子的加速度。图片来源：HZDR / Blaurock紧凑型高能效加速器激光等离子体加速技术开辟了有趣的前景。与传统加速器相比，它有望提供更紧凑、更节能的设施因为新技术不是利用强大的无线电波来推动粒子运动，而是利用激光来加速粒子。其原理是用极短但高强度的激光脉冲照射薄如晶片的箔片。光线将材料加热到一定程度，使无数电子从材料中产生，而原子核则保持原位。由于电子带负电，而原子核带正电，因此它们之间会在短时间内形成一个强大的电场。该电场可将质子脉冲弹射到仅几微米的范围内，达到使用传统加速器技术需要更长距离才能达到的能量。然而，这项技术仍处于研究阶段：迄今为止，只有通过使用超大型激光系统才能实现高达 100 MeV 的质子能量，而世界上这样的激光系统屈指可数。为了利用较小的激光设备和较短的脉冲达到类似的加速器高能量，HZDR 的物理学家 Karl Zeil 和 Tim Ziegler 团队采用了一种新方法。他们利用了激光闪光的一个特性，而这一特性通常被视为缺陷。齐格勒报告说："一个脉冲的能量不会立即启动，这是最理想的情况。取而代之的是，一小部分激光能量冲到它的前面，就像一种先锋队。"突然透明在这一新概念中，起关键作用的正是这种冲向前方的光线。当它照射到真空室中专门制造的塑料薄膜上时，就会以特定的方式改变塑料薄膜。"箔片在光的作用下膨胀，温度越来越高，厚度越来越薄，"齐格勒解释道。"在加热过程中，箔片会有效地融化"。这对紧随其后的主脉冲产生了积极影响：原本会反射大部分光线的箔片突然变得透明，这使得主脉冲能够比以前的实验更深入地穿透材料。齐格勒说："结果是在材料中触发了复杂的级联加速机制，导致薄膜中的质子比我们的 DRACO 激光器加速得更快。用数字表示：该设备以前可以产生大约 80 兆电子伏的质子能量，而现在可以产生 150 兆电子伏，几乎翻了一番。"为了创下这一纪录，研究小组必须进行一系列实验，以接近完美的相互作用参数，例如所用薄膜的最佳厚度。在分析测量数据时，研究小组发现加速粒子束还有一个令人满意的特性：高能质子的能量分布很窄，也就是说，它们的速度几乎一样快这对以后的应用非常有利，因为高而均匀的质子能量对这些应用极为有利。优势：能源效率其中一项应用是研究新的放射生物学概念，以精确、温和地治疗肿瘤。使用这种方法，可以在很短的时间内使用很高剂量的辐射。在这些研究中，迄今为止主要使用的是大型传统治疗加速器，这种加速器只有德国的少数几个中心才有，而且当然要优先用于病人的治疗。现在，新的 HZDR 程序使紧凑型激光系统的使用变得更有可能，从而使更多的研究小组能够进行这些研究，并为传统系统无法提供的辐射场景提供便利。齐格勒说："此外，如今的设备需要大量的电力。基于激光等离子体加速，它们可以更加经济。"该程序还可用于高效生成中子。激光闪烁可用于产生短而强烈的中子脉冲，这在科学和技术以及材料分析中都很有意义。在这方面，等离子体加速器也有望大大扩展以前的应用领域。但首先，科学家们希望改进这种新方法并更好地理解它。除其他事项外，他们还希望与其他实验室合作，以便更精确地控制过程，并使这项技术更加普及。进一步刷新纪录也已提上日程：能量超过 200 MeV 似乎完全有可能。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学 每秒钟大约有一万亿个叫做中微子的微小粒子穿过你的身体。这些在宇宙大爆炸期间产生的"遗迹"中微子遍布整个宇宙，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一个中微子有可能轻触你体内的一个原子。由黑洞等天体产生的大多数中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子能量大得多。虽然这些高能中微子更为罕见，但它们更有可能撞上什么东西，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测到它们，中微子物理学家不得不建造非常大型的实验。冰立方就是这样一个实验，它在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见类型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探测到了它们，从近 10 年的数据中提取出了一些。它们的出现让像我这样的研究人员离揭开天体中微子等高能粒子如何产生之谜更近了一步。冰立方位于数以吨计的透明冰层上，让科学家们能够看到中微子的相互作用。资料来源：克里斯托弗-米歇尔冰立方中微子天文台冰立方中微子天文台是大型中微子实验中重达 800 磅的庞然大物。它拥有约 5000 个传感器，十多年来一直在仔细观察南极地下的千兆吨冰层。当中微子与冰层中的原子碰撞时，会产生一个光球，传感器会将其记录下来。当中微子穿过冰立方时，其中的一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下这些光。在视频中，球体代表各个传感器，每个球体的大小与其探测到的光的多少成正比。颜色表示光的相对到达时间，根据彩虹的颜色，红色到达时间最早，紫色最晚。冰立方已经探测到在多个地方产生的中微子，如地球大气层、银河系中心以及许多光年外其他星系的黑洞。但是，中微子中的一种高能中微子tau 中微子，却一直躲避着冰立方直到现在。 中微子有三种不同类型，物理学家称之为"味道"。每种味道都会在冰立方这样的探测器上留下独特的印记。当中微子撞击另一种粒子时，通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，头中微子产生头。具有μ介子味道的中微子具有最明显的特征，因此我和冰立方合作小组的同事们自然首先寻找这些中微子。μ介子中微子碰撞释放出的μ介子在衰变前会穿过数百米的冰层，形成一条长长的可探测光轨。通过这条轨迹，研究人员可以追踪中微子的来源。研究小组接下来研究了电子中微子，其相互作用产生了一个大致球形的光球。电子中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞向它靠近的冰层中的每一个粒子。在电子最终静止之前，这种相互作用会留下一个不断膨胀的光球。由于电子中微子的方向很难用肉眼辨别，冰立方的物理学家们应用机器学习技术来回溯电子中微子可能产生的位置。这些技术利用复杂的计算资源，调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。第三种中微子tau中微子是三重奏中的变色龙。一个tau中微子可以显示为一条光轨，而下一个tau中微子则可以显示为一个球。在碰撞中产生的头中微子在衰变前只飞行了几分之一秒，当它衰变时，通常会产生一个光球。这些tau中微子会产生两个光球，一个是它们最初撞击到某个物体并产生tau粒子，另一个则是tau粒子本身发生衰变。大多数情况下，中微子只飞行了很短的距离就衰变了，这使得两个光球重叠得非常厉害，以至于无法与一个光球区分开来。但在能量较高的情况下，发射出的tau粒子可以飞行数十米，导致两个光球彼此分离。掌握了这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，从而大海捞针。 高能tau中微子利用这些计算工具，研究小组成功地从大约10年的数据中提取出7个强候选tau中微子。这些tau中微子的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器还要高，这意味着它们一定来自天体物理源，比如黑洞。这些数据证实了冰立方先前发现的天体物理中微子，也证实了冰立方先前发现的天体物理tau中微子的蛛丝马迹。这些结果还表明，即使在最高能量和最远距离上，中微子的行为方式也与它们在较低能量下的行为方式基本相同。特别是，对天体物理tau中微子的探测证实，来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量更低的中微子在更短的距离内也会以同样的方式振荡。黑洞，如图中的黑洞，可以发射高能中微子。图片来源：NASA / CXC / M. Weiss随着"冰立方"和其他中微子实验收集到更多数据，科学家们也更善于区分三种中微子，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚，地球与这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否会根据粒子的质量对粒子进行不同的处理。与来自宇宙大爆炸的更常见的中微子相比，高能量的头中微子及其μ介子和电子表亲总是要少一些。但它们的数量足以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究两者之间的无限空间。作者：道格-考恩（Doug Cowen），宾夕法尼亚州立大学物理教授、天文学和天体物理学教授。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

替代EUV光刻的新方案公布

替代EUV光刻的新方案公布 但一种非常规替代方案正在酝酿之中。日本筑波高能加速器研究组织（KEK）的一组研究人员认为，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技术可能会更便宜、更快速、更高效。甚至在晶圆厂安装首批 EUV 机器之前，研究人员就看到了使用粒子加速器产生的强大光源（ 自由电子激光 (FEL:free-electron laser)）进行 EUV 光刻的可能性。然而，KEK 的科学家表示，并不是任何粒子加速器都可以做到这一点。他们声称，EUV 光刻的最佳候选方案是采用粒子加速器版本的再生制动（原文：They claim the best candidate for EUV lithography incorporates the particle-accelerator version of regenerative braking）。它被称为能量回收线性加速器（energy recovery linear accelerator），可以使自由电子激光经济地产生数十千瓦的 EUV 功率。这足以同时驱动不止一台而是多台下一代光刻机，从而降低先进芯片制造的成本。KEK 先进光源研究员 Norio Nakamura在参观该设施时告诉我：“FEL 光束的极高功率、较窄的光谱宽度以及其他特性使其非常适合用于未来的光刻技术。”直线加速器与激光等离子体当今的 EUV 系统仅由一家制造商制造， 即总部位于荷兰费尔德霍芬的ASML。当 ASML 于 2016 年推出第一代这种价值 1 亿美元以上的精密机器时，业界对它们的需求非常迫切。芯片制造商一直在尝试各种变通方法，以应对当时最先进的系统，即使用 193 纳米光的光刻技术。转向更短的 13.5 纳米波长是一场革命，它将减少芯片制造所需的步骤数量，并使摩尔定律在下一个十年继续有效。持续延迟的主要原因 是光源太暗。最终能够提供足够明亮的 EUV 光源的技术称为激光等离子体 (EUV-LPP)。它使用二氧化碳激光器每秒数千次将熔融的锡滴喷射成等离子体。等离子体发射出光子能量光谱，然后专用光学器件从光谱中捕获必要的 13.5 纳米波长，并将其引导通过一系列镜子。随后，EUV 光从图案化掩模上反射，然后投射到硅晶片上。KEK 的实验性紧凑型能量回收直线加速器利用电子返回过程中的大部分能量来加速一组新电子所有这些加起来就是一个高度复杂的过程。尽管它从耗电量高达千瓦的激光器开始，但反射到晶圆上的 EUV 光量只有几瓦。光线越暗，在硅片上可靠地曝光图案所需的时间就越长。如果没有足够的光子携带图案，EUV 的速度会不经济。而过分追求速度可能会导致代价高昂的错误。在刚机器刚推出时，功率水平足以每小时处理约 100 片晶圆。从那时起，ASML 已成功将当前系列机器的产量稳步提高到每小时约 200 片晶圆。ASML 目前的光源额定功率为 500 瓦。但 Nakamura 表示，未来需要更精细的图案，可能需要 1 千瓦或更高功率。ASML 表示，它有开发 1,000 瓦光源的路线图。但这可能很难实现，Nakamura 表示，他曾领导 KEK 的光束动力学和磁铁小组，退休后重新开始从事 EUV 项目。很难，但并非不可能。印第安纳州普渡大学极端环境下材料研究中心主任艾哈迈德·哈萨尼恩 (Ahmed Hassanein)表示，将光源功率翻倍“非常具有挑战性” 。但他指出，ASML 过去曾通过改进和优化光源和其他组件的综合方法实现了类似的高难度目标，他不排除重复这一做法的可能性。在自由电子激光器中，加速电子受到交变磁场的影响，导致它们波动并发射电磁辐射。辐射将电子聚集在一起，导致它们仅放大特定波长，从而产生激光束。但亮度并不是 ASML 在激光等离子源方面面临的唯一问题。“升级到更高的 EUV 功率时，存在许多挑战性问题，”Hassanein 说。他列举了几个问题，包括“污染、波长纯度和镜面收集系统的性能。”另一个问题是高昂的运营成本。这些系统每分钟消耗约 600 升氢气，其中大部分用于防止锡和其他污染物进入光学元件和晶圆。（不过，回收可以降低这一数字。）但最终，运营成本还是取决于电力消耗。弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器设施最近退休的高级研究员斯蒂芬·本森(Stephen Benson) 估计，整个 EUV-LPP 系统的电光转换效率可能不到 0.1%。他说，像 KEK 正在开发的这种自由电子激光器，其效率可能是前者的 10 到 100 倍。能量回收直线加速器KEK 正在开发的系统通过将电子加速到相对论速度，然后以特定方式偏离其运动来产生光。中村解释说，这个过程始于电子枪将电子束注入一根数米长的低温冷却管。在这个管子里，超导体发出射频 (RF) 信号，驱动电子越来越快地移动。然后电子旋转 180 度，进入一个叫做波荡器的结构，这是一系列方向相反的磁铁。（KEK 系统目前有两个。）波荡器迫使高速电子沿正弦路径运动，这种运动导致电子发光。在线性加速器中，注入的电子从射频场获得能量。通常，电子随后会进入自由电子激光器，并立即被处理到束流收集器中。但在能量恢复线性加速器 (ERL) 中，电子会回到射频场，并将其能量借给新注入的电子，然后再进入束流收集器。（文后附详细说明）接下来发生的现象称为自放大自发辐射（SASE：self-amplified spontaneous emissions）。光与电子相互作用，减慢一些电子的速度，加快另一些电子的速度，因此它们聚集成“微束”（microbunches），即沿波荡器路径周期性出现的密度峰值。现在结构化的电子束只放大与这些微束周期同相的光，从而产生相干的激光束。正是在这一点上，KEK 的紧凑型能量回收直线加速器 (cERL：compact energy recovery linac) 与传统直线加速器驱动的激光器有所不同。通常，耗尽的电子束是通过将粒子转移到所谓的束流 收集器中来处理的。但在 cERL 中，电子首先循环回到 RF 加速器。这束电子现在与刚开始旅程的新注入电子处于相反的相位。结果是耗尽的电子将大部分能量转移到新束流中，从而增强其能量。一旦原始电子的部分能量以这种方式耗尽，它们就会被转移到束流收集器中。“直线加速器中的加速能量被回收，与普通直线加速器相比，被丢弃的光束功率大幅降低，”中村向我解释道，而另一间屋子的科学家正在操作激光器。他说，重复使用电子的能量意味着，在同样的电量下，系统可以通过加速器发送更多的电流，并且可以更频繁地发射激光器。其他专家也同意这一观点。能量回收直线加速器的效率提高可以降低成本，“这是使用 EUV 激光产生等离子体的主要考虑因素”，Hassanein 说道。EUV 能量回收直线加速器KEK 紧凑型能量回收直线加速器最初于 2011 年至 2013 年间建造，旨在向该机构物理和材料科学部门的研究人员展示其作为同步辐射源的潜力。但研究人员对计划中的系统并不满意，因为它的性能目标低于一些基于存储环的同步加速器（巨大的圆形加速器，可保持电子束以恒定的动能移动）所能达到的水平。因此，KEK 研究人员开始寻找更合适的应用。在与当时拥有闪存芯片部门的东芝等日本科技公司交谈后，研究人员进行了初步研究，证实使用紧凑型能量回收直线加速器可以实现千瓦级光源。因此，EUV 自由电子激光器项目诞生了。2019 年和 2020 年，研究人员修改了现有的实验加速器，开始了 EUV 光之旅。该系统被安置在一个全混凝土房间内，以保护研究人员免受运行时产生的强烈电磁辐射。房间长约 60 米，宽约 20 米，大部分空间被复杂的设备、管道和电缆所占据，这些设备、管道和电缆沿着房间两侧蜿蜒而行，形成一条细长的赛道。该加速器目前还无法产生 EUV 波长。借助 17 兆电子伏特的电子束能量，研究人员能够以 20 微米红外光爆发的形式产生 SASE 辐射。早期测试结果于 2023 年 4 月发表在《日本应用物理学杂志》上。下一步工作正在进... PC版： 手机版：

中国可能在 2027 年建造世界最大粒子加速器

中国可能在 2027 年建造世界最大粒子加速器 中国希望三年内开始建造世界最大粒子加速器。100 公里长的 Circular Electron Positron Collider(CEPC)设计精确测量希格斯玻色子。CEPC 的提案将于明年递交给政府，可能会包含在下一个五年计划中。根据本月初公开的技术设计报告，如果赢得政府支持，加速器的建造将于 2027 年启动，预计花费十年时间，耗资 364 亿元人民币。而欧盟计划中的下一代加速器 Future Circular Collider(FCC)预计花费 170 亿欧元，其建造工作预计要到 2030 年代。CEPC 将以极高的能量对撞正反电子，产生数以百万计的希格斯玻色子，允许科学家比以往任何时候更仔细的研究这种赋予万物质量的粒子。由于地缘政治紧张局势，CEPC 面临的一大障碍是国际支持，今天中国很多大型物理设施中外国研究人员已经占到了三到五成。 via Solidot

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中国可能在 2027 年建造世界最大粒子加速器 中国希望三年内开始建造世界最大粒子加速器。100 公里长的 Circular Electron Positron Collider(CEPC)设计精确测量希格斯玻色子。CEPC 的提案将于明年递交给政府，可能会包含在下一个五年计划中。根据本月初公开的技术设计报告，如果赢得政府支持，加速器的建造将于 2027 年启动，预计花费十年时间，耗资 364 亿元人民币。而欧盟计划中的下一代加速器 Future Circular Collider(FCC)预计花费 170 亿欧元，其建造工作预计要到 2030 年代。CEPC 将以极高的能量对撞正反电子，产生数以百万计的希格斯玻色子，允许科学家比以往任何时候更仔细的研究这种赋予万物质量的粒子。由于地缘政治紧张局势，CEPC 面临的一大障碍是国际支持，今天中国很多大型物理设施中外国研究人员已经占到了三到五成。来源 ， 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat

比盐粒还小的微型芯片未来有望改变医学传感器技术

比盐粒还小的微型芯片未来有望改变医学传感器技术 传感器网络的设计使芯片可以植入人体或集成到可穿戴设备中。每个亚毫米大小的硅传感器都模仿大脑神经元通过尖峰电活动进行交流的方式。传感器检测到特定的尖峰事件，然后利用无线电波实时无线传输数据，从而节省了能源和带宽。布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者李继勋（Jihun Lee）说："我们的大脑以一种非常稀疏的方式工作。神经元不会一直发射。它们压缩数据，稀疏地发射，因此效率非常高。我们的无线通信方法就是在模仿这种结构。传感器不会一直发送数据它们只会在需要时发送相关数据，就像短暂的电脉冲一样，而且它们能够独立于其他传感器发送数据，无需与中央接收器协调。通过这样做，我们可以节省大量能源，避免中央接收器中心被意义不大的数据淹没。"这种射频传输方案还使系统具有可扩展性，并解决了当前传感器通信网络的一个常见问题：它们必须完全同步才能正常工作。研究小组在《自然-电子学》（Nature Electronics）杂志上撰文，介绍了一种新颖的无线通信网络方法，这种网络可以从数千个微电子芯片中高效地传输、接收和解码数据，而每个芯片的大小都不超过一粒盐。图片来源：Nick Dentamaro/布朗大学研究人员说，这项工作标志着大规模无线传感器技术向前迈出了重要一步，有朝一日可能会帮助科学家们确定如何从这些小小的硅器件中收集和解读信息，特别是由于现代科技的发展，电子传感器已变得无处不在。布朗大学工程学院教授、该研究的资深作者阿尔托-努尔米科（Arto Nurmikko）说："我们生活在一个传感器的世界里。传感器无处不在。它们当然出现在我们的汽车里，出现在许多工作场所，而且越来越多地进入我们的家庭。对这些传感器来说，最苛刻的环境永远是人体内部。"因此，研究人员认为该系统有助于为下一代植入式和可穿戴式生物医学传感器奠定基础。医学界越来越需要高效、不显眼、不易察觉的微型设备，这些设备还能作为大型组合的一部分运行，以绘制整个相关区域的生理活动图。"李说："在实际开发这种基于尖峰的无线微传感器方面，这是一个里程碑。如果我们继续使用传统方法，就无法收集到这些应用在这类下一代系统中需要的高信道数据。"传感器所识别和传输的事件可以是特定的事件，如监测环境的变化，包括温度波动或某些物质的存在。传感器之所以能够使用如此少的能源，是因为外部收发器在传感器传输数据时为其提供无线供电，这意味着传感器只需在收发器发出的能量波范围内就能获得充电。这种无需插入电源或电池即可运行的能力使它们在许多不同的情况下都能方便、灵活地使用。研究小组在计算机上设计和模拟了复杂的电子器件，并通过多次制造迭代来制造传感器。这项工作建立在Nurmikko 在布朗大学实验室先前研究的基础上，该研究推出了一种名为"神经粒"的新型神经接口系统。该系统使用一个由微型无线传感器组成的协调网络来记录和刺激大脑活动。"这些芯片是相当复杂的微型电子设备，我们花了一段时间才做到这一点，"隶属于布朗大学卡尼脑科学研究所的努尔米科说。"要定制操纵这些传感器电子特性的几种不同功能它们基本上被挤压到硅片的几分之一毫米空间所需的工作量和精力并不小。"研究人员展示了他们系统的效率，以及该系统的潜在扩展能力。他们使用实验室中的 78 个传感器对系统进行了测试，发现即使传感器在不同时间传输数据，也能准确无误地收集和发送数据。通过模拟，他们能够展示如何利用约8000个假定植入的传感器，解码从灵长类动物大脑中收集到的数据。研究人员表示，下一步工作包括优化系统以降低功耗，以及探索神经技术以外的更广泛应用。李说："目前的工作提供了一种方法，我们可以在此基础上进一步发展。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：