德克萨斯大学：紧凑型粒子加速器实现重大“能源里程碑”

德克萨斯大学、Tau Systems 公司及其合作伙伴演示可产生 10 GeV 电子束的紧凑型粒子加速器。

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潜力。但传统加速器需要占用大量空间（甚至达到千米级），因此价格昂贵，通常仅限于少数国家实验室和大学使用。

现在，来自德克萨斯大学奥斯汀分校、多个国家实验室、欧洲多所大学和德克萨斯州 Tau Systems 公司的研究人员展示了一种长度不到 20 m的紧凑型粒子加速器，它能产生能量为 10 GeV 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 3km。

UT大学物理学副教授兼Tau Systems公司首席执行官Bjorn Manuel Hegelich说："我们现在可以在10cm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》上的一篇介绍其成就的论文的资深作者。

Hegelich 和他的团队目前正在探索如何将他们的加速器（名为Advanced Wakefield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，为新型半导体芯片设计的三维内部结构成像，甚至开发新型癌症疗法和先进的医学成像技术。

激光驱动器

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上的慢动作过程。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。“Wakefield”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，并产生等离子体波，将气体中的电子击出形成高能电子束。

图1. 这个气体池是德克萨斯大学奥斯汀分校研制的紧凑型wakefield激光加速器的关键部件。在里面，一个极其强大的激光撞击氦气，将其加热成等离子体，并产生等离子体波，将气体中的电子以高能电子束的形式发射出去。图片来源：Bjorn Manuel Hegelich。

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，金属板注入金属纳米粒子流，纳米粒子流能增强电波传递给电子的能量。激光被比作一艘划过湖面的小船，会留下一道尾迹，电子就像冲浪者一样乘着这道等离子体波浪前进。

图2. 德克萨斯大学奥斯汀分校研制的紧凑型wakefield激光加速器示意图。激光束从右侧进入，进入气室后产生电子束，电子束最终进入左侧的两个闪烁屏（DRZ1 和 DRZ2）进行分析。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校。

Wave-nanoparticle模型
Hegelich说：要想不被大浪拍倒就进入大浪是很难的，所以尾波冲浪者会使用水上摩托艇进行辅助。在我们的加速器中，相当于水上摩托艇的纳米粒子在正确的时间和正确的点释放电子，因此它们都在等离子体波中。我们能让更多的电子在我们希望的时间和地点进入等离子体波中，而不是在整个相互作用过程中统计分布。

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--Texas拍瓦激光器，该激光器位于德克萨斯大学，每小时发射一个超强光脉冲。单个拍瓦激光脉冲的功率约为美国装机功率的1000倍，但持续时间仅为150fs。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，并能以每秒数千次的频率反复发射，从而使整个加速器比传统加速器更加紧凑，适用范围更广。

图3. 在气室内部，功率极强的激光照射氦气，将其加热成等离子体，并产生等离子体波，将气体中的电子击出高能电子束。纳米粒子由次级激光穿过顶窗照射金属板而产生，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。

Hegelich 和 Aniculaesei 已经提交了一份专利申请，描述了在气室中生成纳米粒子的设备和方法。从 Hegelich 实验室分离出来的 Tau Systems 公司拥有该大学对这一基础专利的独家许可。