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粒子加速器在半導體應用、醫療、醫學成像、材料、能源和醫學研究方面具有巨大潛力。但傳統的加速器需要巨大的空間，造價昂貴。近日，科學家利用激光尾流場加速技術成功將千米級別的加速器縮短到不到 20 米。

近日，發表于《極端條件下的物質與輻射》（Matter and Radiation at Extremes）的一篇文章顯示，得克薩斯大學奧斯汀分校的科學家帶領的科學團隊成功研制了一款長度不到 20 米的緊湊型粒子加速器。這款緊湊型加速器可以產生能量為 100 億電子伏特（10 GeV）的電子束。

激光尾流場加速

聚焦在等離子體上的強激光脈沖可以激發非線性等離子體波。在適當的條件下，來自背景等離子體的電子被捕獲在等離子體波中，并可以加速到超光速。這種方案稱為激光尾流場加速器。

激光尾流場加速的加速度梯度比使用傳統射頻加速器技術獲得的加速度梯度高出大約 3 個數量級。從 1979 年，激光尾流場加速的概念首次被提出以來，它就一直被認為有望將千米級的傳統加速器和輻射源縮小到房間大小的機器。

在新研究中，科學家進行了激光尾流場加速器實驗 —— 用 1000 萬億瓦級別的激光激發尾流場以及納米粒子來幫助將電子注入尾流場的加速階段。結果顯示，用長約 10 厘米的納米粒子輔助激光尾流場加速器可以產生 340 pC、10±1.86 GeV 的電子束。（pC 即皮庫克，1 皮庫克為 1 庫克的一千億分之一。）這款加速器也可以產生能量較低的電子束（40～60 億電子伏特）。

緊湊型加速器

這款緊湊型加速器包括一個氣室、一個偶極磁體和兩個閃爍屏 DRZ1 和 DRZ2。整個裝置被放置在真空室內。激光和電子束從右向左傳播。

氣室是加速器的核心部分。剝蝕激光通過頂部窗口聚焦到金屬板表面，并燒蝕產生納米顆粒。納米顆粒與氦氣混合，均勻地填充在氣室中。得克薩斯佩塔瓦激光器發射的激光通過一個直徑為 3 毫米的圓孔進入氣室，并產生許多電子（通過另一個直徑為 3 毫米的圓孔離開氣室）。

高能加速器

不管是 100 億電子伏特，還是 40～60 億電子伏特，都屬于高能加速器。在全球，能達到 100 億電子伏特的加速器屈指可數，并且，這些圓形加速器的直徑大多都是千米級別。

高能加速器可以產生多種次級的高能粒子流，除了能進行高能物理實驗外，同樣也可以進行低能和中能物理實驗。除了物理實驗，高能加速器還能模擬核武器爆炸的破壞效果，制造裂變材料等。

電子束在同步加速器中會產生同步輻射，這對于提高電子能量來說當然是一件壞事，但同步輻射在分子生物學、表面物理、表面化學、天體物理、非線性光學、半導體器件工藝方面都有非常廣泛的應用。例如，用同步輻射束光刻可達到皮米級別，比用電子束來刻蝕細了 3 個數量級，如果技術成熟，未來或可將個人計算機縮小到火柴盒大小，甚至更小。

高能加速器產生的許多高能粒子對癌細胞都有殺傷作用。控制好高能粒子的能量，并使其剛好作用在人體中患癌的部分，就可以達到消除癌細胞，又避免破壞人體內正常組織的目的。

科學家正在探索將這款加速器用于各種目的。他們希望用它來測試太空電子設備對輻射的抵抗能力，對新半導體芯片設計的 3D 內部結構進行成像，甚至開發新的癌癥療法和先進的醫學成像技術。

這種加速器也可以用來驅動另一種稱為 X 射線自由電子激光器的裝置 —— 可以為發生在原子或分子尺度上的過程拍攝“慢動作電影”，例如，藥物與細胞的相互作用，可能導致電池著火的電池內部變化，太陽能電池板內部的化學反應，以及病毒蛋白感染細胞時的變化。

參考文獻：

• The acceleration of a high-charge electron bunch to 10 GeV in a 10-cm nanoparticle-assisted wakefield accelerator | Matter and Radiation at Extremes | AIP Publishing

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的将加速器缩短到 20 米，对未来的电子设备微型化、精准医疗、太空探索都意义非凡的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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