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

超小型粒子加速器用4英寸距离完成原本需要1.9英里的工作

超小型粒子加速器用4英寸距离完成原本需要1.9英里的工作TAU系统公司首席执行官说："这种紧凑型先进的加速器还需要一个巨大的激光器来运行--在这种情况下，德克萨斯州佩塔瓦激光器（TexasPetawattLaser）就位于奥斯汀德克萨斯大学高能量密度科学中心的一个34英尺（10米）长的台子上。"作为世界上最强大的激光器之一，这台"巨兽"能发射出超强激光束，其能量约为全美国装机容量的1000倍，但每小时只能发射一次，而且只能持续150飞秒，即闪电放电时间的十亿分之一。TAU的设备不到66英尺（20米）长，发射出的光束高达10GeV。它使用的是1979年首次描述的改进版若飞加速技术，目前许多加速器项目都在使用这种技术。普通粒子加速器实际上是一系列环，当给它们施加正电压时，就能吸引电子。这些环依次通电，以越来越快的速度将电子拉过隧道，每个环在电子到达之前都会关闭。电子诊断装置，包括一个气室、一个偶极磁铁和两个闪烁屏DRZ1和DRZ2。整个装置放置在真空室中。激光和电子束从右向左传播。激光驱动的加速器或多或少会将光脉冲本身变成光速电磁铁，使粒子追随其后，在极短的距离内聚集超常的速度和能量。TAU的设备使用一个充满氦气的小室。当Petawatt激光器发射光脉冲穿过这些气体时，脉冲的巨大能量会将气体电离成等离子体。当它穿过等离子体时，脉冲会在身后留下一道尾迹，就像船在水中行驶时留下的尾迹一样，只不过在这种情况下，它会产生一道极其强大的电荷波动尾迹。如果在适当的时候注入一个电子，这些巨大的移动电荷就会在光脉冲后面拉动和推动它，耗尽原始激光脉冲的能量（但不是速度），并将其转移到加速的电子上，推动它在很短的距离内达到"光速的一大部分"。TAU在这一装置中取得的关键进展是采用了辅助烧蚀激光器，该激光器可向气室内的金属板发射精确定时的脉冲串，向气室注入金属纳米粒子流，从而在电子跟随激光脉冲串移动的过程中增强其能量。532纳米激光穿过顶窗聚焦到金属板表面，通过激光烧蚀产生纳米粒子。德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"-赫格利奇（Bjorn"Manuel"Hegelich）说："要进入大浪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。我们能让更多的电子在我们希望的时间和地点进入波中，而不是在整个相互作用过程中统计分布，这就是我们的秘诀。"赫格利希和他的团队正在开发自己的桌面大小的激光系统，他们说这将使整个系统更加紧凑，每秒将发射数千次，而不是每小时一次。那么，超小型高能粒子加速器有什么用呢？也许是用来驱动X射线自由电子激光器，它有可能拍摄原子或分子尺度的慢动作视频。它还可以用来测试用于太空飞行的电子元件是否能经受住辐射的考验，对半导体芯片设计的内部结构进行三维成像，并有可能开发出新的癌症治疗方法和先进的医学成像技术。该团队的研究论文发表在《极端物质与辐射》（MatterandRadiationatExtreme）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400375.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400375.htm

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CircularElectronPositronCollider(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FutureCircularCollider(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

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

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

三体人为什么那么害怕地球人的加速器？中科院科普

三体人为什么那么害怕地球人的加速器？中科院科普染色就是宣传发展科技的副作用，让人们厌恶科技。神迹就是装神弄鬼，让科学家丧失信心，甚至自杀。而智子除了监视人类外，另一个更重要的作用就是干扰人类的高能粒子加速器。那么三体人为什么那么害怕地球人的加速器呢？中国科学院近代物理研究所进行了科普。按照原著的设定，三体人担心人类利用加速器揭示物质的本质，实现技术的飞跃，成为它们的有力劲敌。中国科学院表示，这个设定非常科学！粒子加速器确实在人类的科技发展史上有着举足轻重的地位。从最早卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验打开原子物理研究的大门，到2013年大型强子对撞机发现希格斯粒子，加速器无疑是科学家们开展物质科学研究最重要、最前沿的工具。我们不但能用它发现新的基本粒子，也能合成新的同位素，甚至可以体验一把造物主的感觉——合成新元素！加速器对基础研究的贡献不仅仅在核物理和粒子物理领域中。利用带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道运动时发出的电磁辐射，科学家们建造了同步辐射光源，开展材料科学、结构生物学等学科的相关实验。这些实验帮助人类更清晰地了解微观世界的结构，在解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠病毒结构，筛选抗病毒药物与抗体等方面发挥着重要作用。除了基础科学研究，加速器的应用已经渗透到人类生活的诸多方面了：我们可以利用加速器治疗癌症。重离子放疗是目前国际上公认的先进放疗手段，重离子束就像一枚精准的导弹，能直接击中病灶，集中释放能量，消杀癌细胞。中科院还介绍了三种常见的加速器：直线加速器、回旋加速器、环型加速器。如今，多数大型加速器都是以环型加速器作为主要部分，直线加速器和回旋加速器一般会作为环型加速器的注入器使用，大家各显神通。例如目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机，还有国内的同步辐射光源、散裂中子源等等，它们的主体都是环型加速器。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341945.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341945.htm