重塑粒子加速器： 紧凑、强大 随时准备改变科学

重塑粒子加速器：紧凑、强大随时准备改变科学德克萨斯大学奥斯汀分校、多个国家实验室、欧洲多所大学以及总部位于德克萨斯州的TAUSystems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（10GeV）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。这个气体室是德克萨斯大学奥斯汀分校开发的紧凑型渚场激光加速器的关键部件。在加速器内部，功率极强的激光器撞击氦气，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。图片来源：Bjorn"Manuel"Hegelich得克萨斯大学奥斯汀分校物理学副教授兼TAU系统公司首席执行官比约恩-"曼努埃尔"-赫格利希（Bjorn"Manuel"Hegelich）说："我们现在可以在10厘米的范围内达到这些能量，"他指的是产生电子束的腔室的大小。他是最近发表在《极端物质与辐射》（MatterandRadiationatExtreme）杂志上的一篇介绍他们成就的论文的资深作者。赫格利希和他的团队目前正在探索如何将他们的加速器（称为先进的汪场激光加速器）用于各种用途。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。气室绘图。在气室中，功率极强的激光照射氦气，将其加热成等离子体，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。纳米粒子由通过顶部窗口照射并撞击金属板的次级激光器产生，从而增强了传输给电子的能量。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校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。汪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。在过去的几十年里，不同的研究小组开发出了更强大的版本。赫格利希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。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。德克萨斯大学奥斯汀分校研制的紧凑型渚波场激光加速器图。激光束从右侧进入气室，在气室中产生电子束，电子束最终进入左侧的两个闪烁屏（DRZ1和DRZ2）进行分析。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校赫格利希说："要进入大浪中而不被压倒是很难的，所以浪花冲浪者会被水上摩托艇拖入浪中。在我们的加速器中，相当于喷气式滑雪板的是纳米粒子，它们能在恰当的时间和恰当的点释放电子，因此电子都在波浪中。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，这就是我们的秘诀。"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（TexasPetawattLaser）。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他们目前正在开发的激光器来驱动他们的系统，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。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401663.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401663.htm

世界首台微型粒子加速器亮相 结构长度仅0.5毫米

世界首台微型粒子加速器亮相结构长度仅0.5毫米到目前为止，还没有证据表明这种方法能大幅提高能量。换句话说，还没有证明电子的速度确实有了显著提高。现在，弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学（FAU）的激光物理学家团队与斯坦福大学的同事们同时成功展示了首个纳米光子电子加速器。德国联邦科学院的研究人员首次成功地在只有几纳米大小的结构中对电子进行了可测量的加速。在图片中，您可以看到带有这些结构的微型芯片，与之相比，这是一枚1美分硬币。图片来源：FAU/JulianLitzel粒子加速器及其纳米光子演变当人们听到"粒子加速器"时，大多数人可能会想到位于日内瓦的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，这个长约27公里的环形隧道被来自全球各地的研究人员用来研究未知的基本粒子。然而，这种巨大的粒子加速器是个例外。在日常生活中，我们更有可能在其他地方遇到它们，例如在医学成像程序或放射治疗肿瘤的过程中。不过，即便如此，这些设备的体积仍有数米之大，而且相当笨重，在性能方面还有待改进。为了改进和缩小现有设备的体积，全球物理学家正在研究介质激光加速装置，也称为纳米光子加速器。他们使用的结构长度仅为0.5毫米，电子被加速通过的通道宽度仅为大约225纳米，这使得这些加速器与计算机芯片一样小。粒子通过照射纳米结构的超短激光脉冲加速。"最近发表的论文的四位主要作者之一TomášChlouba博士解释说："我们梦想的应用是在内窥镜上安装粒子加速器，以便能够直接对体内受影响的部位进行放射治疗。这个梦想对于彼得-霍梅尔霍夫（PeterHommelhoff）教授领导的、由TomášChlouba博士、RoyShiloh博士、StefanieKraus、LeonBrückner和JulianLitzel组成的激光物理学教研室的FAU团队来说可能还遥不可及，但他们现在已经通过展示纳米光子电子加速器成功地朝着正确的方向迈出了决定性的一步。罗伊-希洛博士兴奋地说："我们第一次真正可以在芯片上实现粒子加速器。"引导电子+加速=粒子加速器就在两年多前，研究小组取得了第一个重大突破：他们成功地使用了早期加速理论中的交替相聚焦（APF）方法来控制电子在真空通道中的长距离流动。这是建造粒子加速器道路上迈出的重要一步。现在，获得大量能量所需的就是加速。斯蒂芬妮-克劳斯解释说："利用这种技术，我们现在不仅成功地引导了电子，而且还在这些纳米制造的结构中加速了电子，其长度达到半毫米。虽然这对许多人来说听起来并不算什么成就，但它却是加速器物理学领域的巨大成功，我们获得了12千电子伏的能量。莱昂-布吕克纳解释说。为了将粒子加速到如此大的距离（从纳米尺度看），FAU的物理学家将APF方法与专门开发的柱形几何结构相结合。不过，这次演示只是一个开始。现在的目标是提高能量和电子电流的增益，使芯片上的粒子加速器足以应用于医学领域。为此，能量增益必须提高约100倍。TomášChlouba解释了FAU激光物理学家的下一步计划。埃尔兰根激光物理学家的研究成果几乎同时被美国斯坦福大学的同事们展示出来：他们的成果目前正在审查中，但可以在资料库中查看。在戈登和贝蒂-摩尔基金会（GordonandBettyMooreFoundation）资助的一个项目中，这两个团队正在合作实现"芯片上的加速器"。"2015年，FAU和斯坦福大学领导的ACHIP团队对粒子加速器设计的革命性方法有了一个愿景，"戈登和贝蒂-摩尔基金会的加里-格林伯格博士说，"我们很高兴我们的支持帮助将这一愿景变成了现实。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391415.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391415.htm

斯坦福仅半毫米长的微型加速器有望为医学和物理学突破带来巨大飞跃

斯坦福仅半毫米长的微型加速器有望为医学和物理学突破带来巨大飞跃鞋盒大小的加速器示意图。电子源和分束器/注入器馈入亚相对论DLA（本文中描述的设备），将电子加速到1MeV的能量。这些电子通过二氧化硅波导驱动的相对论DLA进一步加速，最后通过一个减压器产生相干自由电子辐射。资料来源：摩尔基金会/佩顿-布罗德斯研究人员已经证明，硅介质激光加速器（DLA）现在既能加速电子，又能约束电子，形成一束聚焦的高能电子束。佩顿-布罗德斯（PaytonBroaddus）说："如果电子是微型汽车，这就好比我们第一次掌握了方向盘，并把脚放在油门上。"将加速器的能力从"英里"进化到"微米"加速器产生的高能粒子束可以让物理学家研究材料的性质，制造用于医疗应用的聚焦探针，以及识别构成宇宙中所有物质的基本构件。最早的高能粒子加速器开发于20世纪30年代，可以放在桌面上。但研究更先进的物理学需要更高的粒子能量，因此科学家们需要建造更大的系统。(位于斯坦福大学校园内的SLAC国家加速器实验室最初的直线加速器隧道于1966年投入使用，全长近2英里）。这些系统使粒子物理学的众多发现成为可能，而布罗德斯的动力则是建造一种微型直线加速器，它的性能最终可以与体积是其一千倍以上的机器相媲美，而成本却只是后者的一小部分。这也将为医学领域带来新的应用，比如可以将这种设备安装在一个小型探针上，然后将电子束精确地射向肿瘤。"我们有能力用更便宜、更小巧的设备完全取代其他所有粒子加速器。"EdwardL.Ginzton实验室主任、工程学院RobertL.andAudreyS.Hancock教授、该论文的资深作者OlavSolgaard说，得益于纳米级制造和激光技术的进步，这一愿景越来越有可能实现。传统的射频加速器由铜腔组成，铜腔中注入无线电波，为粒子提供能量。这些脉冲会加热金属，因此空腔需要以较低的能量和脉冲速率运行，以散热并避免熔化。但是，玻璃和硅结构可以承受激光器发出的更高能量脉冲而不会发热，因此它们的功率更大，体积也更小。大约10年前，斯坦福大学的研究人员开始试验用这些材料制成的纳米级结构。2013年，论文合著者、小威廉-R-凯南名誉教授罗伯特-拜尔领导的研究小组证明，这种纳米结构的激光器可以在不加热的情况下产生更强的能量，同时体积也更小。凯南名誉教授罗伯特-拜尔（RobertByer）领导的研究小组在2013年证明，一种带有脉冲红外光的微型玻璃加速器成功地加速了电子。这些成果促使该项目被戈登和贝蒂-摩尔基金会（GordonandBettyMooreFoundation）在"芯片上的加速器"（ACHIP）国际合作项目中采纳，以制造鞋盒大小的兆电子伏加速器。但是，这种首个"芯片级加速器"仍有一些问题需要解决。正如布罗德斯所说，里面的电子就像行驶在没有方向盘的狭窄道路上的汽车。它们可以迅速加速，但也很容易撞墙。半毫米长的介质激光加速器的扫描电子显微照片，电子在其中穿行并加速。标为黑色的单元是纵向聚焦和横向散焦单元（LFTD），而白色的单元是纵向散焦和横向聚焦单元（LDTF），它们使电子保持在轨道上。(图片来源：Broaddus,P.,Egenolf,T.,Black,D.S.,Murillo,M.,Woodahl,C.,Miao,Y.,...Solgaard,O.(2024).亚相对论交变相聚焦介质激光加速器。物理评论快报》，132，085001。doi:10.1103/PhysRevLett.132.085001)用激光引导电子现在，斯坦福大学的这组研究人员已经成功证明，他们也可以在纳米尺度上引导电子。为此，他们在真空系统中建立了一个带有亚微米通道的硅结构。他们将电子注入一端，并从两侧用定形激光脉冲照射该结构，该激光脉冲可提供踢动能。激光场周期性地在聚焦和散焦特性之间转换，从而将电子聚集在一起，防止它们偏离轨道。这一连串的加速、散焦和聚焦作用在电子上的距离几乎达到了1毫米。这听起来似乎不远，但这些带电粒子却获得了相当大的能量，获得了23.7千电子伏特的能量，比它们的起始能量高出约25%。研究小组在其微型加速器原型中所能达到的加速度与传统的铜加速器不相上下，布罗德德斯补充说，更高的加速度是有可能实现的。虽然这是向前迈出的重要一步，但在将这些小型加速器用于工业、医学和研究领域之前，还有更多工作要做。迄今为止，研究小组引导电子的能力仅限于二维；要使加速器的长度足够长，以获得更大的能量增益，还需要三维电子约束。电子接力赛位于德国埃尔兰根的弗里德里希-亚历山大大学（FriedrichAlexanderUniversity，FAU）的一个姊妹研究小组最近展示了一个类似的装置，该装置使用单激光器，起始能量更低。布罗德斯说，它和斯坦福大学的设备最终将成为一种电子接力赛的一部分。这个未来的中继器将有三名队友：FAU的设备将接收低能量电子，并对其进行初始加速，然后将其送入类似于布罗德斯正在开发的设备中。电子的最后一步将是一个由玻璃制成的加速器，就像拜尔开发的那样。与硅相比，玻璃能承受更大的激光冲击，从而使加速器能进一步激发电子并将其推向光速。索尔加德相信，这种微型加速器最终将在高能物理领域发挥作用，就像它的大型加速器一样，探索构成宇宙的基本物质。他说："我们还有很长很长的路要走。但他仍然很乐观，并补充说，"我们已经迈出了最初的几步"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421940.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421940.htm

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100MeV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KarlZeil和TimZiegler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200MeV似乎完全有可能。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431130.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431130.htm

通用原子公司正在研制小型商用粒子加速器

通用原子公司正在研制小型商用粒子加速器杰斐逊实验室准备新紧凑型加速器腔体的团队成员一个由公共和私营部门研究人员组成的团队利用现成的工业部件，制造出了一个小型粒子加速器原型，这可能会对该技术的商业应用产生重大影响。在这种思想的驱使下，来自美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施和能源与国防公司通用原子公司等一系列机构的科学家们开始寻找制造更经济、更紧凑的电子束粒子加速器的方法。得益于两项新的创新，他们取得了成功。获得转让其中第一个突破是加速器腔体的设计方式。在创建原型的过程中，团队成员知道他们想把重点放在超导射频（SRF）粒子加速上，就像杰斐逊实验室连续电子束加速器设备中的系统一样。这种加速器通常内衬一种叫做铌的金属，这种金属在接近绝对零度时具有超导性。正在通用原子公司组装的原型腔体图/通用原子能公司在新的原型中，研究小组首先使用铌，然后在其上添加了一层铌锡合金。这意味着腔体可以在更高的温度下工作，无需进行如此强烈的超强冷却。接下来，科学家们首先在腔室外部覆盖了一层2毫米（0.08英寸）的覆铜板，然后又覆盖了一层更厚的5毫米（0.2英寸）覆铜板。这样的设计使得腔室能够更容易地通过传导过程将粒子加速过程中产生的热量传递到室外。杰斐逊实验室的科学家Gianluigi"Gigi"Ciovati是该项目的负责人，他说："基本上是通过冷喷和电镀相结合的方法，在空腔外部建造了一个铜热毯。这为内表面产生的热量提供了一条高导热路径，使热量转移到外表面，然后流向低温冷却器"。得益于这种基于传导的设计，该系统可以在4开尔文（-452°F）的温度下运行，是大型系统所需温度的两倍。制造加速器的铜结构图/通用原子能公司保持冷静这就引出了第二项创新：低温冷却器。在大型粒子加速器中，系统通常使用液氦低温设备进行冷却。这种设备不仅造价昂贵，而且维护费用也很高。在新原型中，研究小组决定使用现成的低温冷却器，这种制冷系统主要用于保持许多核磁共振成像仪中超导磁体的冷却。低温冷却器的"冷头"朝向加速器腔体，结果发现它们能成功地将新的传导腔体冷却到所需的4开尔文。Ciovati说："突破性技术之一是能够利用这些紧凑型商用设备通过传导对空腔进行冷却，而不是使用大型、复杂和昂贵的低温冷却设备。我们正在研究的系统不需要液氦低温设备。"支架车上的HTC横截面效果图图/通用原子能公司测试通用原子公司在一个被称为水平低温恒温器的系统中对新设计进行了测试。通用原子公司磁聚变能源（MFE）部门的科学家德鲁-帕卡德（DrewPackard）说："首先，将低温恒温器中的空气抽空，然后将空腔冷却到超导阈值以下，并用小射频信号进行激励，以展示电加速梯度。通过诊断，我们证明传导冷却腔体的性能达到了与之前在杰斐逊实验室进行的液氦测试相同的规格。"研究人员说，事实上，原型机产生的峰值表面磁场达到了50毫特斯拉，这是迄今为止类似装置产生的最高磁场。研究小组表示，这证明其新型紧凑型加速器可以产生增益为100万电子伏特（MeV）的电子，因此具有商业可行性。例如，这种系统可以帮助生产核医学用同位素，或帮助净化环境。"电子束在各种商业应用中都非常有用，"帕卡德说。"这种紧凑型超导加速器技术在环境修复方面具有相当大的潜力，水净化就是一个例子。未经处理的水中可能含有不安全浓度的化学品，如药品或全氟辛烷磺酸，以及有害病原体，如大肠杆菌或沙门氏菌。电子束能非常有效地撕裂复杂分子和有机物，并将其分解成对人类健康和环境威胁较小的基本粒子。"该团队表示，现在将探索如何增强该系统，使其电子束能够更深入地穿透材料，同时还将寻找在其上添加模块的方法，使其性能更加出色。描述该系统的研究成果已发表在《物理评论加速器与光束》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422115.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422115.htm

科学家研发全球最小粒子加速器

科学家研发全球最小粒子加速器科学家近日成功研发出了全球首台纳米光子电子加速器（NEA），相干地结合了粒子加速和横向束约束，可以在225nm宽的通道中，加速和引导电子超过500μm的距离。这台NEA由一个小型微芯片组成，内部装有更小的真空管，该真空管由数千个单独的“柱子”组成，研究人员可以通过向这些柱子发射微型激光束来加速电子。这台NEA主加速管长约0.02英寸（0.5毫米），相比较欧洲核子研究组织大型强子对撞机（LHC）的16.8英里（27公里），仅为5400万分之一。微小隧道的内部宽度仅为225纳米左右（人类头发的厚度为80000至100000纳米）。该科研项目由德国埃尔朗根-纽伦堡大学，以色列耶路撒冷希伯来大学和德国马克斯・普朗克光科学研究所共同推进，在实验中观察到最大相干能量增益为12.3keV，相当于从最初的28.4keV增加到40.7keV，能量增加了43%。来源，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat