紧凑型加速器技术实现重大能源里程碑

这种气体池是德克萨斯大学奥斯汀分校开发的紧凑型尾流场激光加速器的关键组成部分。在内部，一个极其强大的激光撞击氦气，将其加热成等离子体，并产生波，将气体中的电子以高能电子束的形式踢出去。图片来源:比约恩·“曼努埃尔”·黑格尔里奇

粒子加速器在半导体应用、医学成像和治疗以及材料、能源和医学研究方面具有巨大的潜力。但是传统的加速器需要很大的空间——几公里——这使得它们昂贵，并且限制了它们在少数国家实验室和大学的存在。

来自德克萨斯大学奥斯汀分校、几个国家实验室、欧洲大学和总部位于德克萨斯州的TAU系统公司的研究人员展示了一个不到20米长的紧凑型粒子加速器，它能产生能量为100亿电子伏特(10 GeV)的电子束。目前在美国运行的加速器只有另外两个可以达到如此高的电子能量，但它们都大约3公里长。UT大学物理学副教授兼TAU系统公司首席执行官Bjorn Manue Hegelich说：我们现在可以在10厘米内达到这些能量。他指的是产生光束的腔室的大小。他是最近发表在《Matter and Radiation at Extreme》上的一篇论文的资深作者。Hegelich和他的团队目前正在探索使用他们的加速器，称为先进的尾流场激光加速器，用于多种用途。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3D内部结构进行成像，甚至开发新的癌症疗法和先进的医学成像技术。这种加速器也可以用来驱动另一种叫做x射线自由电子激光器的设备，这种设备可以拍摄原子或分子尺度上的过程的慢动作电影。这些过程的例子包括药物与细胞的相互作用，电池内部可能引起着火的变化，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改变形状。

尾流场激光加速器的概念最早是在1979年提出的。一个非常强大的激光撞击氦气，将其加热成等离子体，并产生波，用高能电子束将气体中的电子击出。在过去几十年中，不同的研究小组开发出了功能更强大的版本。Hegelich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，金属板会注入金属纳米粒子流，从而增强电波传递给电子的能量。激光就像一艘掠过湖面的船，留下一条尾迹，电子就像冲浪者一样驾驭着等离子体波。Hegelich说: 要想进入大浪而不被冲浪者压倒是很难的，所以尾流冲浪者会被喷气式滑雪板拖进去。在我们的加速器中，相当于喷气式滑雪板的纳米粒子在正确的时间和正确的时间释放电子，所以它们都在波中。我们让更多的电子在我们希望它们出现的时间和地点进入波中，而不是在整个相互作用中统计分布，这是我们的秘密武器。

德克萨斯大学奥斯汀分校研制的紧凑型韦克菲尔德激光加速器的图纸。激光束从右侧进入，进入产生电子束的气室，电子束最终到达左侧的两个闪烁屏幕(DRZ1和DRZ2)进行分析。资料来源:德克萨斯大学奥斯汀分校

在这个实验中，研究人员使用了世界上最强大的脉冲激光器之一，德克萨斯大学的德克萨斯拍瓦激光器，每小时发射一次超强光脉冲。一个拍瓦激光脉冲的功率大约是美国现有电力的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驱动他们的系统，这种激光可以放在桌面上，每秒重复发射数千次，使整个加速器比传统加速器更紧凑，在更广泛的环境中使用。

气体池图。在内部，一个极其强大的激光撞击氦气，将其加热成等离子体，并产生波，用高能电子束将气体中的电子击出。纳米粒子——由次级激光穿过顶部窗口照射并撞击金属板产生——增加了传递给电子的能量。资料来源:德克萨斯大学奥斯汀分校

该研究的共同第一作者是Constantin Aniculaesei 和 Thanh Ha，前者是通讯作者，现就职于德国杜塞尔多夫海因里希-海涅大学；后者是UT的博士生，也是TAU系统公司的研究员。UT的其他教师包括教授Todd Ditmire 和 Michael Downer。Hegelich和Aniculaesei已经提交了一份专利申请，描述了在气细胞中产生纳米颗粒的装置和方法。从黑格尔里希的实验室分离出来的TAU系统公司，拥有来自哈佛大学的这项基础专利的独家许可。