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

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

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

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

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北京正负电子对撞机模型（新华社）报道称，建造CEPC的提案明年将提交中国政府。根据6月3日发布的一份综合技术设计报告，如果该项目能获得政府支持，可能会在2027年动工，大约需要10年时间建造。报告估计，这台超大型对撞机将耗资364亿元人民币(约52亿美元)，建造和运行成本要比欧洲耗资170亿美元的未来环形对撞机(FCC)低得多。如果获得批准，FCC的建造工作将于本世纪30年代开始。在其巨大的地下隧道内，CEPC将在极高的能量下，让电子与其反粒子正电子进行碰撞，产生数以百万计的希格斯玻色子。香港科技大学理论物理学家安德鲁·科恩说，单是它们庞大的数量就将使研究人员能够比以往更详细地研究这种粒子。通过更精确地测量希格斯玻色子，研究人员将能够探索超越标准模型的问题——标准模型是关于宇宙构成的主要但不完整的理论——比如暗物质的性质，以及为什么宇宙中普通物质比反物质多。据报道，中国科学院北京高能物理研究所所长王贻芳说，最新的报告包括加速器布局设计和组件原型的详细蓝图。报告还包括对3个可能地点的评估，包括秦皇岛、长沙和湖州。位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的物理学家弗兰克·齐默尔曼说，计划用于中国巨型对撞机的许多部件已经在国内其他设施上进行了测试。其中包括在北京接近完工的高能同步辐射光源。齐默尔曼说，鉴于中国已经拥有一台类似CEPC的对撞机(北京正负电子对撞机)，中国目前在这一领域的专业知识可能比整个欧洲加起来还要多。他说：“他们取得了重大进展。”同时也是CEPC国际咨询委员会成员的安德鲁·科恩说，技术设计报告表明，中国有能力在几乎没有国际研究人员帮助的情况下建造CEPC。他说：“如果他们想建造加速器并向前发展，他们是可以做到的。”然而，王贻芳相信，CEPC将是一项国际性的努力。他指出，在中国一些大型物理设施的团队中，国际研究人员已经占了不小的比例，其中包括位于广东开平市的江门中微子实验室，该实验室将于今年开始运行。他说：“我们相信(CEPC)也将是类似的。”（编译/王海昉）...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435797.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435797.htm