刚刚，紧凑型加速器技术实现“重大能源里程碑”！

众所周知，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。但可惜的是，传统的加速器往往需要占用很大的空间，这也使得它们价格昂贵，并且限制了它们在少数国家实验室和大学的落地应用。

近日，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中，只有另外两个可以达到如此高的电子能量，但它们都大约长达3公里。

图片气体电池图。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，在高能电子束中从气体中踢出电子。纳米粒子是由二次激光穿过顶部窗户照射到金属板上产生的，增强了传递给电子的能量。（图源：TAU Systems）

“我们现在可以在10厘米（产生光束的腔室的大小）内达到这些能量，”UT物理学副教授、TAU Systems首席执行官Bjorn“Manuel”Hegelich表示。他是最近在《极端物质与辐射》（Matter and Radiation at Extremes）杂志上发表的一篇论文的资深作者，该论文描述了他们的成就。

Hegelich和他的团队目前正在探索使用他们先进的尾流场激光加速器，用于各种应用和目的：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影片。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。

新型紧凑型尾流场激光加速器原理图：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。（图源：TAU Systems）

“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，将气体中的电子以高能电子束的形式踢出去。

在过去的几十年中，不同的研究小组开发了越来越强大的“尾流场激光加速器”版本。Hegelich和他的团队的关键进展依赖于纳米颗粒：辅助激光照射在气电池内部的金属板上，从而注入金属纳米颗粒流，以提高从波中传递给电子的能量。

在整个过程中，激光就像一艘掠过湖面的船，会留下一条尾迹，而电子就像冲浪者一样驾驭着等离子体波。Hegelich称：“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节点释放电子，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位置进入波中，而不是在整个相互作用中统计分布，这是我们的秘密武器。”

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（Texas Petawatt Laser），每小时发射一次超强光脉冲。一个拍瓦的激光脉冲的功率，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。

图片一个盒子状的科学设备，一端有红色的激光照射进来，另一端有一束电子射出。（图源：TAU Systems）

该研究的共同第一作者是Constantin Aniculaesei，他现在是德国杜塞尔多夫（Heinrich Heine University Düsseldorf，HHU）的的通讯作者；另外，关键参与人员还包括德州大学博士生、TAU系统研究员Thanh Ha。

这项研究得到了美国空军科学研究办公室、美国能源部、英国工程与物理科学研究委员会以及欧盟“地平线2020”研究与创新计划的支持。

德克萨斯大学奥斯汀分校致力于所有潜在利益冲突的透明度和披露。参与这项研究的大学调查人员已向大学提交了所需的财务披露表格。

TAU Systems正在开发世界上第一个紧凑型粒子加速器和专门的X射线源，它结合了大型加速器的功能、紧凑的占地面积两大优势，为任何公司或研究机构提供简单和负担得起的光束时间访问。近期，TAU Systems签署了一份先进建筑的租约，用于建立TAU Lab实验室，这是其第一个光源应用和研发中心，将使用户比以往任何时候都更容易获得尖端的粒子和成像系统。 

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