世界首台微型粒子加速器亮相 结构长度仅0.5毫米

世界首台微型粒子加速器亮相结构长度仅0.5毫米到目前为止，还没有证据表明这种方法能大幅提高能量。换句话说，还没有证明电子的速度确实有了显著提高。现在，弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学（FAU）的激光物理学家团队与斯坦福大学的同事们同时成功展示了首个纳米光子电子加速器。德国联邦科学院的研究人员首次成功地在只有几纳米大小的结构中对电子进行了可测量的加速。在图片中，您可以看到带有这些结构的微型芯片，与之相比，这是一枚1美分硬币。图片来源：FAU/JulianLitzel粒子加速器及其纳米光子演变当人们听到"粒子加速器"时，大多数人可能会想到位于日内瓦的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，这个长约27公里的环形隧道被来自全球各地的研究人员用来研究未知的基本粒子。然而，这种巨大的粒子加速器是个例外。在日常生活中，我们更有可能在其他地方遇到它们，例如在医学成像程序或放射治疗肿瘤的过程中。不过，即便如此，这些设备的体积仍有数米之大，而且相当笨重，在性能方面还有待改进。为了改进和缩小现有设备的体积，全球物理学家正在研究介质激光加速装置，也称为纳米光子加速器。他们使用的结构长度仅为0.5毫米，电子被加速通过的通道宽度仅为大约225纳米，这使得这些加速器与计算机芯片一样小。粒子通过照射纳米结构的超短激光脉冲加速。"最近发表的论文的四位主要作者之一TomášChlouba博士解释说："我们梦想的应用是在内窥镜上安装粒子加速器，以便能够直接对体内受影响的部位进行放射治疗。这个梦想对于彼得-霍梅尔霍夫（PeterHommelhoff）教授领导的、由TomášChlouba博士、RoyShiloh博士、StefanieKraus、LeonBrückner和JulianLitzel组成的激光物理学教研室的FAU团队来说可能还遥不可及，但他们现在已经通过展示纳米光子电子加速器成功地朝着正确的方向迈出了决定性的一步。罗伊-希洛博士兴奋地说："我们第一次真正可以在芯片上实现粒子加速器。"引导电子+加速=粒子加速器就在两年多前，研究小组取得了第一个重大突破：他们成功地使用了早期加速理论中的交替相聚焦（APF）方法来控制电子在真空通道中的长距离流动。这是建造粒子加速器道路上迈出的重要一步。现在，获得大量能量所需的就是加速。斯蒂芬妮-克劳斯解释说："利用这种技术，我们现在不仅成功地引导了电子，而且还在这些纳米制造的结构中加速了电子，其长度达到半毫米。虽然这对许多人来说听起来并不算什么成就，但它却是加速器物理学领域的巨大成功，我们获得了12千电子伏的能量。莱昂-布吕克纳解释说。为了将粒子加速到如此大的距离（从纳米尺度看），FAU的物理学家将APF方法与专门开发的柱形几何结构相结合。不过，这次演示只是一个开始。现在的目标是提高能量和电子电流的增益，使芯片上的粒子加速器足以应用于医学领域。为此，能量增益必须提高约100倍。TomášChlouba解释了FAU激光物理学家的下一步计划。埃尔兰根激光物理学家的研究成果几乎同时被美国斯坦福大学的同事们展示出来：他们的成果目前正在审查中，但可以在资料库中查看。在戈登和贝蒂-摩尔基金会（GordonandBettyMooreFoundation）资助的一个项目中，这两个团队正在合作实现"芯片上的加速器"。"2015年，FAU和斯坦福大学领导的ACHIP团队对粒子加速器设计的革命性方法有了一个愿景，"戈登和贝蒂-摩尔基金会的加里-格林伯格博士说，"我们很高兴我们的支持帮助将这一愿景变成了现实。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391415.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391415.htm

紧凑型激光等离子加速器打破质子能量记录

紧凑型激光等离子加速器打破质子能量记录HZDR的一个研究小组采用一种创新方法，成功地通过激光脉冲大幅提高了质子的加速度。图片来源：HZDR/Blaurock紧凑型高能效加速器激光等离子体加速技术开辟了有趣的前景。与传统加速器相比，它有望提供更紧凑、更节能的设施--因为新技术不是利用强大的无线电波来推动粒子运动，而是利用激光来加速粒子。其原理是用极短但高强度的激光脉冲照射薄如晶片的箔片。光线将材料加热到一定程度，使无数电子从材料中产生，而原子核则保持原位。由于电子带负电，而原子核带正电，因此它们之间会在短时间内形成一个强大的电场。该电场可将质子脉冲弹射到仅几微米的范围内，达到使用传统加速器技术需要更长距离才能达到的能量。然而，这项技术仍处于研究阶段：迄今为止，只有通过使用超大型激光系统才能实现高达100MeV的质子能量，而世界上这样的激光系统屈指可数。为了利用较小的激光设备和较短的脉冲达到类似的加速器高能量，HZDR的物理学家KarlZeil和TimZiegler团队采用了一种新方法。他们利用了激光闪光的一个特性，而这一特性通常被视为缺陷。齐格勒报告说："一个脉冲的能量不会立即启动，这是最理想的情况。取而代之的是，一小部分激光能量冲到它的前面，就像一种先锋队。"突然透明在这一新概念中，起关键作用的正是这种冲向前方的光线。当它照射到真空室中专门制造的塑料薄膜上时，就会以特定的方式改变塑料薄膜。"箔片在光的作用下膨胀，温度越来越高，厚度越来越薄，"齐格勒解释道。"在加热过程中，箔片会有效地融化"。这对紧随其后的主脉冲产生了积极影响：原本会反射大部分光线的箔片突然变得透明，这使得主脉冲能够比以前的实验更深入地穿透材料。齐格勒说："结果是在材料中触发了复杂的级联加速机制，导致薄膜中的质子比我们的DRACO激光器加速得更快。用数字表示：该设备以前可以产生大约80兆电子伏的质子能量，而现在可以产生150兆电子伏，几乎翻了一番。"为了创下这一纪录，研究小组必须进行一系列实验，以接近完美的相互作用参数，例如所用薄膜的最佳厚度。在分析测量数据时，研究小组发现加速粒子束还有一个令人满意的特性：高能质子的能量分布很窄，也就是说，它们的速度几乎一样快--这对以后的应用非常有利，因为高而均匀的质子能量对这些应用极为有利。优势：能源效率其中一项应用是研究新的放射生物学概念，以精确、温和地治疗肿瘤。使用这种方法，可以在很短的时间内使用很高剂量的辐射。在这些研究中，迄今为止主要使用的是大型传统治疗加速器，这种加速器只有德国的少数几个中心才有，而且当然要优先用于病人的治疗。现在，新的HZDR程序使紧凑型激光系统的使用变得更有可能，从而使更多的研究小组能够进行这些研究，并为传统系统无法提供的辐射场景提供便利。齐格勒说："此外，如今的设备需要大量的电力。基于激光等离子体加速，它们可以更加经济。"该程序还可用于高效生成中子。激光闪烁可用于产生短而强烈的中子脉冲，这在科学和技术以及材料分析中都很有意义。在这方面，等离子体加速器也有望大大扩展以前的应用领域。但首先，科学家们希望改进这种新方法并更好地理解它。除其他事项外，他们还希望与其他实验室合作，以便更精确地控制过程，并使这项技术更加普及。进一步刷新纪录也已提上日程：能量超过200MeV似乎完全有可能。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431130.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431130.htm

超小型粒子加速器用4英寸距离完成原本需要1.9英里的工作

超小型粒子加速器用4英寸距离完成原本需要1.9英里的工作TAU系统公司首席执行官说："这种紧凑型先进的加速器还需要一个巨大的激光器来运行--在这种情况下，德克萨斯州佩塔瓦激光器（TexasPetawattLaser）就位于奥斯汀德克萨斯大学高能量密度科学中心的一个34英尺（10米）长的台子上。"作为世界上最强大的激光器之一，这台"巨兽"能发射出超强激光束，其能量约为全美国装机容量的1000倍，但每小时只能发射一次，而且只能持续150飞秒，即闪电放电时间的十亿分之一。TAU的设备不到66英尺（20米）长，发射出的光束高达10GeV。它使用的是1979年首次描述的改进版若飞加速技术，目前许多加速器项目都在使用这种技术。普通粒子加速器实际上是一系列环，当给它们施加正电压时，就能吸引电子。这些环依次通电，以越来越快的速度将电子拉过隧道，每个环在电子到达之前都会关闭。电子诊断装置，包括一个气室、一个偶极磁铁和两个闪烁屏DRZ1和DRZ2。整个装置放置在真空室中。激光和电子束从右向左传播。激光驱动的加速器或多或少会将光脉冲本身变成光速电磁铁，使粒子追随其后，在极短的距离内聚集超常的速度和能量。TAU的设备使用一个充满氦气的小室。当Petawatt激光器发射光脉冲穿过这些气体时，脉冲的巨大能量会将气体电离成等离子体。当它穿过等离子体时，脉冲会在身后留下一道尾迹，就像船在水中行驶时留下的尾迹一样，只不过在这种情况下，它会产生一道极其强大的电荷波动尾迹。如果在适当的时候注入一个电子，这些巨大的移动电荷就会在光脉冲后面拉动和推动它，耗尽原始激光脉冲的能量（但不是速度），并将其转移到加速的电子上，推动它在很短的距离内达到"光速的一大部分"。TAU在这一装置中取得的关键进展是采用了辅助烧蚀激光器，该激光器可向气室内的金属板发射精确定时的脉冲串，向气室注入金属纳米粒子流，从而在电子跟随激光脉冲串移动的过程中增强其能量。532纳米激光穿过顶窗聚焦到金属板表面，通过激光烧蚀产生纳米粒子。德克萨斯大学奥斯汀分校物理学副教授兼TAU系统公司首席执行官比约恩-"曼努埃尔"-赫格利奇（Bjorn"Manuel"Hegelich）说："要进入大浪而不被压倒是很难的，所以冲浪者会被水上摩托艇拖入浪中。"在我们的加速器中，相当于喷气滑雪板的是纳米粒子，它们能在正确的时间和正确的点释放电子，因此它们都在波浪中。我们能让更多的电子在我们希望的时间和地点进入波中，而不是在整个相互作用过程中统计分布，这就是我们的秘诀。"赫格利希和他的团队正在开发自己的桌面大小的激光系统，他们说这将使整个系统更加紧凑，每秒将发射数千次，而不是每小时一次。那么，超小型高能粒子加速器有什么用呢？也许是用来驱动X射线自由电子激光器，它有可能拍摄原子或分子尺度的慢动作视频。它还可以用来测试用于太空飞行的电子元件是否能经受住辐射的考验，对半导体芯片设计的内部结构进行三维成像，并有可能开发出新的癌症治疗方法和先进的医学成像技术。该团队的研究论文发表在《极端物质与辐射》（MatterandRadiationatExtreme）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400375.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400375.htm

设想中的C3冷铜对撞机有望重新定义粒子物理学的能效

设想中的C3冷铜对撞机有望重新定义粒子物理学的能效自从2012年发现希格斯玻色子以来，物理学家们一直希望建造新的粒子对撞机，以便更好地了解这种难以捉摸的粒子的特性，并在更高的能量尺度上探测基本粒子物理学。诀窍在于，这样做需要能量--大量的能量。一台典型的对撞机需要数百兆瓦（相当于数千万个现代灯泡）来运行。这还不算建造这些设备所需的能源，所有这些加起来就会产生一件事：大量的二氧化碳和其他温室气体。现在，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员已经想好了如何让一个方案：更加节能的冷铜对撞机（C3）。为了了解如何做到这一点，他们考虑了适用于任何加速器设计的三个关键方面：科学家们将如何操作对撞机、对撞机本身首先是如何建造的，甚至是对撞机的建造地点--这对项目的整体碳足迹有着重大的影响，即使是间接影响。拟建的冷铜对撞机光束隧道剖面图。资料来源：EmilioNanni/SLAC国家加速器实验室"在讨论大科学时，现在必须不仅考虑财务成本，还要考虑环境影响，"SLAC助理教授、新论文的共同作者之一CaterinaVernieri说，该论文发表在PRXEnergy上。该论文发表在《PRXEnergy》上。SLAC助理教授、另一位合著者EmilioNanni对此表示赞同。"作为科学家，我们都希望不仅通过我们的发现，而且通过我们的行动来激励公众和后代，"Nanni说。"这就要求我们既要考虑潜在的科学影响，也要考虑对我们社区的整体影响。让设施更具可持续性将有助于实现这两个目标。"对撞机设计变化与环境影响对于能够探测希格斯粒子及其他粒子的下一代加速器，有许多不同的建议，C3是其中之一，不过它们都遵循两种基本设计之一：线性加速器，如C3和拟议中的国际直线对撞机；同步加速器，或未来的环形加速器，如未来环形对撞机或环形电子正负电子对撞机。它们各有利弊。值得注意的是，同步加速器可以重复循环粒子束，这意味着它们可以在多个循环中收集数据。不过，它们也有局限性，因为质子和电子等带电粒子在路径弯曲成圆形时会损失能量，从而增加功耗。直线加速器不存在能量损失问题，因此可以获得更高的能量，为新的测量提供了可能，但它们只使用一次光束，要实现更高的数据传输率，它们需要使用高强度的光束。C3的目标是通过新的设计，包括在更多点向加速器输入更精确的定制电磁场以及新的低温冷却系统，来解决大多数直线加速器在长度与能量方面的限制。该项目还旨在使用更多可互换部件和可显著降低成本的建造方法，最终制造出一个成本相对较低的小型对撞机--短至约五英里--但仍能探索粒子物理学的极端前沿。让大物理更具可持续性尽管如此，拟议中的C3对撞机仍将耗费大量资源来建造和运行，因此其支持者从如何运行加速器本身入手，将大型物理项目的碳足迹纳入考虑范围，从而解决了人们日益关注的问题。一直以来，物理学家都不太关注如何运行加速器，至少在能源效率方面。然而，SLAC和斯坦福大学的研究小组发现，一些细微的变化，如改变粒子束的结构和改进产生驱动粒子束的电磁场的克利斯特伦的运行方式，都能带来不同的效果。这些改进加在一起，可以将C3的电力需求从大约150兆瓦减少到77兆瓦，或者说减少近一半。Vernieri说："如果能减少50%，我就心满意足了。"另一方面，研究小组发现，建筑本身可能是C3碳足迹的主要来源，尤其是在全球转向使用更多可再生能源的情况下。研究人员建议，使用不同的材料，如不同形式的混凝土，以及注意材料的制造和运输方式，可以帮助降低对全球变暖的影响。此外，C3的体积也比其他加速器方案小得多--只有8公里长，这将减少材料的总体使用量，并允许建筑商选择可以简化和加快施工的地点。研究人员还考虑了C3项目的选址问题，因为这可能会影响为对撞机提供动力的化石燃料与可再生能源的组合，或者可能会建造一个专门的太阳能发电场，与储能系统一起满足加速器的需求。未来对撞机的可持续性比较最后，SLAC-斯坦福团队研究了C3与其他未来对撞机方案的比较，以及线性对撞机和环形对撞机在进行类似测量时的比较。根据他们的分析以及对其他加速器进行的类似可持续发展研究，研究小组发现，建造可能是项目碳足迹的主要驱动因素，但能够实现类似物理目标的环形对撞机通常会在建造过程中产生较高的排放量。同样，较短的加速器，如C3和另一个提案--紧凑型直线对撞机，与较长的加速器相比，全球变暖的可能性较小。"对于研究物理项目的可持续性，这是一个全新的领域，但也是一个必要的领域。至少有一个全新的讨论提出了粒子物理学的碳足迹问题。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395307.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395307.htm

重塑粒子加速器： 紧凑、强大 随时准备改变科学

重塑粒子加速器：紧凑、强大随时准备改变科学德克萨斯大学奥斯汀分校、多个国家实验室、欧洲多所大学以及总部位于德克萨斯州的TAUSystems公司的研究人员展示了一种长度不到20米的紧凑型粒子加速器，它能产生能量为100亿电子伏特（10GeV）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3公里。这个气体室是德克萨斯大学奥斯汀分校开发的紧凑型渚场激光加速器的关键部件。在加速器内部，功率极强的激光器撞击氦气，将其加热成等离子体，并产生波浪，将气体中的电子以高能电子束的形式击出。图片来源：Bjorn"Manuel"Hegelich得克萨斯大学奥斯汀分校物理学副教授兼TAU系统公司首席执行官比约恩-"曼努埃尔"-赫格利希（Bjorn"Manuel"Hegelich）说："我们现在可以在10厘米的范围内达到这些能量，"他指的是产生电子束的腔室的大小。他是最近发表在《极端物质与辐射》（MatterandRadiationatExtreme）杂志上的一篇介绍他们成就的论文的资深作者。赫格利希和他的团队目前正在探索如何将他们的加速器（称为先进的汪场激光加速器）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，对新型半导体芯片设计的三维内部结构进行成像，甚至开发新型癌症疗法和先进的医学成像技术。气室绘图。在气室中，功率极强的激光照射氦气，将其加热成等离子体，并产生电波，将气体中的电子以高能电子束的形式发射出去。纳米粒子由通过顶部窗口照射并撞击金属板的次级激光器产生，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。汪场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，并产生波浪，将气体中的电子击出高能电子束。在过去的几十年里，不同的研究小组开发出了更强大的版本。赫格利希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，从而增强了电子波的能量。激光就像一叶扁舟划过湖面，留下一道波纹，电子就像冲浪者一样乘着这道等离子体波浪前进。德克萨斯大学奥斯汀分校研制的紧凑型渚波场激光加速器图。激光束从右侧进入气室，在气室中产生电子束，电子束最终进入左侧的两个闪烁屏（DRZ1和DRZ2）进行分析。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校赫格利希说："要进入大浪中而不被压倒是很难的，所以浪花冲浪者会被水上摩托艇拖入浪中。在我们的加速器中，相当于喷气式滑雪板的是纳米粒子，它们能在恰当的时间和恰当的点释放电子，因此电子都在波浪中。我们会在我们希望的时间和地点让更多的电子进入波中，而不是在整个交互过程中统计分布，这就是我们的秘诀。"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--德克萨斯皮塔瓦激光器（TexasPetawattLaser）。单个皮塔瓦激光脉冲的功率约为美国装机功率的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器来驱动他们的系统，这种激光器可以放在桌面上，每秒可以重复发射数千次，从而使整个加速器比传统加速器更加紧凑，适用范围更广。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401663.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401663.htm

科学家研发全球最小粒子加速器

科学家研发全球最小粒子加速器科学家近日成功研发出了全球首台纳米光子电子加速器（NEA），相干地结合了粒子加速和横向束约束，可以在225nm宽的通道中，加速和引导电子超过500μm的距离。这台NEA由一个小型微芯片组成，内部装有更小的真空管，该真空管由数千个单独的“柱子”组成，研究人员可以通过向这些柱子发射微型激光束来加速电子。这台NEA主加速管长约0.02英寸（0.5毫米），相比较欧洲核子研究组织大型强子对撞机（LHC）的16.8英里（27公里），仅为5400万分之一。微小隧道的内部宽度仅为225纳米左右（人类头发的厚度为80000至100000纳米）。该科研项目由德国埃尔朗根-纽伦堡大学，以色列耶路撒冷希伯来大学和德国马克斯・普朗克光科学研究所共同推进，在实验中观察到最大相干能量增益为12.3keV，相当于从最初的28.4keV增加到40.7keV，能量增加了43%。来源，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat