让电子在激光尾波中“冲浪”紧凑型加速器产生百亿电子伏能量

2023-12-01 15:26

粒子加速器在半导体应用、医学成像与治疗以及材料、能源和医学研究方面具有巨大的潜力。但传统加速器需要很大的运行空间，非常昂贵，只有少数国家实验室和大学才有。据最新一期《极端条件下的物质与辐射》杂志报道，包括美国得克萨斯大学奥斯汀分校在内的研究团队展示了一种长度不到20米的紧凑型粒子加速器，名为先进激光尾流场加速器，它可产生能量为100亿电子伏的电子束。

目前在美国只有两个加速器可达到如此高的电子能量，但长度都达到3公里。现在，研究人员可在10厘米内的腔室中达到这么高的能量。

激光尾流场加速器的原理是，用极强的激光射击氦气，将其加热成等离子体并产生波，将电子从气体中击出，形成高能电子束。这一概念自1979年被提出以来，一直广受关注。

此次，研究团队的关键进展依赖于纳米颗粒。辅助激光击中气室内的金属板，金属板注入一股金属纳米粒子流，增强了从波传递到电子的能量。

激光就像一艘掠过湖面的小船，会留下尾迹，电子像尾波冲浪者一样驾驭着这股等离子波。研究人员比喻说，冲浪者很难在不受控的情况下进浪，所以一般情况下摩托艇会拖着冲浪者进浪。在新型加速器中，纳米粒子相当于摩托艇，它们在正确的点和正确的时间释放电子，所以它们都能在尾波中“冲浪”。

在实验中，研究人员使用了世界上最强大的脉冲激光器之一——得州拍瓦级激光器，每小时发射一次超强脉冲光，但持续时间仅为150飞秒。

目前，研究团队正在探索将他们的加速器用于多种目的，如测试太空电子设备抵御辐射的能力、拍摄芯片设计的3D内部结构，甚至开发新的癌症疗法和先进的医学成像技术。

这种加速器还可用来驱动X射线自由电子激光器，这种设备可拍摄原子或分子尺度的慢动作电影，如药物与细胞的相互作用、电池内部导致起火的变化、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的形状改变。