直到最近，美国只有两台正在运行的粒子加速器能够发射能量为100亿电子伏特或更高的电子束，这些机器的长度都约为3公里。现在，在一项新的研究中，研究人员揭开了一颗只有10厘米长的钻石。科学家们补充说，这一进步可能产生的强大的紧凑型粒子加速器可能会发现癌症治疗和新3D芯片设计的3D成像等应用。
新设备背后的概念于 1979 年首次被描述。极其强大的激光击中气体，产生等离子体，而等离子体中的波则以高能束的形式将电子踢出。
这些“尾流场加速器”能够以比传统的公里级粒子粉碎器高约1000倍的效率向单个电子传递惯性。长期以来，科学家们一直认为，韦克菲尔德加速器可以将公里规模的设施缩小到房间大小或更小。
尾流场加速器面临的一个关键问题是，由于激光和气体条件的微小变化，它们的电子束在性质上会波动多大。在这项新研究中，研究人员试图使用纳米颗粒提高尾流场加速器的稳定性。
研究人员首先向充满氦气的腔室内的铝板发射激光脉冲。这产生了一团铝颗粒，每个铝颗粒在气体内部大约有10纳米宽。
然后，科学家们发射了世界上最强大的脉冲激光器之一，即奥斯汀的德克萨斯拍瓦激光器，在腔室中混合气体和纳米颗粒。该机器每小时可以发射一个 petawatt 激光脉冲。爆发将一拍瓦合并成一个仅150飞秒的脉冲，是闪电持续时间的十亿分之一。
纳米粒子有助于提高从等离子体波传递到电子的能量。这让更多的电子在需要的时间和地点冲浪，该研究的资深作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家Bjorn Manuel Hegelich说。
Hegelich团队的新加速器能够提供100亿电子伏特电子束。它还可以产生 4 GeV 至 6 GeV 范围内的低能量光束。
根据之前使用较小激光器的结果，科学家们预计会有更温和的结果。“相反，我们看到了五倍的能量，”Hegelich说。他还是TAU Systems的创始人兼首席执行官，该公司拥有为该新设备申请的专利的独家许可。
低能量光束的近期应用包括新3D芯片设计的3D成像，癌症的电子疗法，空间电子器件的辐射测试，“以及诊断，它使X射线诱导的声学计算机断层扫描等新方法成为可能，”Hegelich说。
Hegelich说，100亿电子伏特光束的最大应用是驱动X射线自由电子激光器，这是“终极的X射线显微镜，在空间和时间上都实现了分子分辨率”。“它们将成为材料科学、生物、化学等各个领域的尖端研究工具。它们将为新电池、太阳能电池、设计药品、疫苗、药物和数百个其他行业提供关键研究。
目前，全球只有少数这样的激光器可用，“这意味着它们的访问和可用时间非常有限，”Hegelich说。他补充说，他们的研究可以将这些机器缩小到“从校园到实验室的大小，这样你就可以在每所大型大学甚至公司中拥有一台。这将使访问民主化，使更多的研究和工业能够获得光束时间。
科学家们在研究过程中面临的主要挑战是，德克萨斯千瓦激光每天只能发射大约四到五次，而能量和脉冲持续时间等激光参数“可能会波动很大，因为系统的某些部分已经很老了，”Hegelich说。“我们通常每天只能拍到一两次好球，而且整体统计数据很差。
Hegelich说，在未来，科学家们希望使用具有更高射程的更小激光来重复他们的研究，以收集可以帮助他们“精确控制这种新机制”的数据。Hegelich说，他们希望将射击率“从每小时一次提高到每秒约100次，然后是每秒10000多次射击”。
Hegelich说，这样的研究可以将这种基于纳米颗粒的加速器“降低到较低的激光脉冲能量，同时保留我们观察到的优势”。“这将使我们能够用给定的激光达到更高的电子能量，或者用更小的激光达到目标电子能量。
科学家们在《极端物质与辐射》杂志上详细介绍了他们的发现。
