直到最近，美國只有兩臺運行中的粒子加速器能夠產生100億電子伏特或更高能量的電子束，這兩臺機器都大約有3公里長。現在，在一項新的研究中，研究人員發現了一個只有10厘米長的設備。科學家們補充道，這一進步可能產生的強大的緊湊型粒子加速器可能會應用于癌癥治療和新的3D芯片設計（https://spectrum.ieee.org/amd-3d-stacking-intel-graphcore）的3D成像。

新設備背后的概念于1979年首次被描述。一種極其強大的激光照射氣體，產生等離子體，而等離子體中的波以高能束的形式將電子去除。

這些“尾流場加速器能夠以大約1000倍于使用傳統千米級粒子加速器的效率為單個電子提供慣性。科學家們長期以來一直認為，尾流場加速機可以將千米級設施縮小到房間大小或更小。

尾流場加速器面臨的一個關鍵問題是，由于激光和氣體條件的微小變化，其電子束的性質會有多大波動。在這項新的研究中，研究人員試圖使用納米顆粒來提高尾流場加速器的穩定性。

研究人員首先向充滿氦氣的室內的鋁板發射激光脈沖。這就在氣體內部產生了一團鋁顆粒，每一個大約有10納米寬。

然后，科學家們向室內的氣體和納米顆粒混合物發射了世界上最強大的脈沖激光器之一，奧斯汀的Texas Petawatt Laser。這臺機器每小時可以發射一個PB瓦的激光脈沖。這次爆發將這一PB瓦（是美國裝機功率的1000倍）合并成一個150飛秒的脈沖，相當于閃電持續時間的十億分之一。

“They’ll become the cutting-edge research tools for everything from material science, bio, chemistry and more. They will enable critical research for new batteries, solar cells, designer pharmaceuticals, vaccines, drugs, and hundreds of other industries”
—Bjorn Manuel Hegelich, University of Texas at Austin

納米顆粒有助于提高從等離子體波傳遞給電子的能量。這項研究的資深作者、德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家Bjorn Manuel Hegelich說，這使得更多的電子出現在需要的時候和地方。

UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN

Hegelich團隊的新加速器能夠發射100億電子伏特（10GeV）的電子束。它還可以產生4 GeV到6 GeV范圍內的低能量光束。他還是TAU Systems的創始人兼首席執行官，該公司持有該新設備專利的獨家許可證。

低能量光束的近期應用包括新的3D芯片設計的3D成像、癌癥的電子療法、太空電子的輻射測試，“以及診斷 —— 它可以實現X射線誘導聲學計算機斷層掃描等新方法，”Hegelich說。

Hegelich說，100億電子伏特束的最大應用是驅動X射線自由電子激光器，這是“終極的X射線顯微鏡，在空間和時間上都能實現分子分辨率”。“它們將成為材料科學、生物、化學等領域的尖端研究工具。它們將為新電池、太陽能電池、名牌制藥、疫苗、藥物和數百個其他行業提供關鍵研究。”

Hegelich說，目前全球只有少數這種激光器可用，“這意味著使用它們的途徑和可用時間非常有限”。他補充道，他們的研究可能會將這些機器“從校園縮小到實驗室規模，這樣你就可以在每一所大型大學甚至公司都有一臺。這將使訪問民主化，使更多的研究和行業可以訪問波束時間。”

科學家們在研究過程中面臨的主要挑戰是，Texas Petawatt Laser每天只發射大約四到五次，而能量和脈沖持續時間等激光參數“可能會有很大的波動，因為系統的某些部分已經很舊了，”Hegelich說，“總體統計數據比較匱乏。”

Hegelich說，未來，科學家們希望使用具有更高發射率的更小激光器重復他們的研究，以收集數據，幫助他們“精確控制這種新機制”。Hegelich說，他們希望將射速“從每小時一次提高到每秒100次左右，然后再提高到每秒10000次以上”。

Hegelich說，這樣的研究可以將這種基于納米顆粒的加速器“縮小到較低的激光脈沖能量，同時保留我們觀察到的優勢”。“這將使我們能夠用給定的激光達到更高的電子能量，或者用較小的激光達到目標電子能量。”

審核編輯：劉清