科學(xué)家開發(fā)袖珍型粒子加速器，投射超過光速99.99%超短電子束的激光

科學(xué)家已經(jīng)成功開發(fā)了一種袖珍型粒子加速器，能夠以超過光速99.99%的速度投射超短電子束的激光。為了達(dá)到這個(gè)結(jié)果，研究人員不得不使用特殊設(shè)計(jì)的金屬結(jié)構(gòu)，并排以比人的頭發(fā)還要薄的石英層，以減慢光線的速度以適應(yīng)電子的速度。

這種巨大的飛躍同時(shí)提供了在少于10飛秒（0.000 000 000 000 01秒，或者花費(fèi)很短的時(shí)間行進(jìn)1/100毫米）的時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)量和操縱粒子束的能力。這將使他們能夠創(chuàng)建原子運(yùn)動(dòng)的頻閃照片。

這次成功的演示為開發(fā)高能，高電荷，高質(zhì)量太赫茲（THz）驅(qū)動(dòng)的加速器鋪平了道路，該加速器有望更便宜，更緊湊。減小加速器技術(shù)的尺寸和成本，將使這些令人難以置信的機(jī)器向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域開放。

粒子加速器廣泛應(yīng)用于粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)研究，材料表征，醫(yī)院的放射療法中，用于治療癌癥患者，用于醫(yī)學(xué)成像的放射性同位素生產(chǎn)以及貨物安全檢查。但是，支持這些機(jī)器的基本技術(shù)（射頻振蕩器）是在第二次世界大戰(zhàn)期間為雷達(dá)開發(fā)的。

在今天發(fā)表在《自然光子學(xué)》上的一項(xiàng)新研究中，一個(gè)由學(xué)者組成的合作團(tuán)隊(duì)表明，他們獨(dú)特的解決方案是使用激光產(chǎn)生太赫茲頻率的光脈沖。太赫茲是介于紅外（用于電視遙控器）和微波（用于微波爐）之間的電磁頻譜區(qū)域。激光產(chǎn)生的太赫茲輻射存在于理想的毫米級(jí)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，使結(jié)構(gòu)的制造更為簡(jiǎn)單，但最重要的是提供了半周期長(zhǎng)度，該周期長(zhǎng)度非常適合于加速帶有高電荷水平的整個(gè)電子束。

曼徹斯特大學(xué)的論文的主要作者M(jìn)organ Hibberd博士說：“主要挑戰(zhàn)是使加速的太赫茲場(chǎng)的速度與幾乎光速的電子束速度相匹配，同時(shí)還要防止固有的較低的電子束速度。太赫茲脈沖包絡(luò)線從我們的加速結(jié)構(gòu)中傳播，大大降低了驅(qū)動(dòng)場(chǎng)和電子相互作用的長(zhǎng)度?！?/p>

“我們通過開發(fā)獨(dú)特的太赫茲源克服了這個(gè)問題，該源產(chǎn)生的長(zhǎng)脈沖僅包含一個(gè)窄范圍的頻率，從而顯著增強(qiáng)了相互作用。我們的下一個(gè)里程碑是在保持光束質(zhì)量的同時(shí)展示更高的能量增益。我們希望這將通過以下方式實(shí)現(xiàn)已進(jìn)行改進(jìn)以提高我們的太赫茲源能量，”。

蘭卡斯特大學(xué)的史蒂芬·賈米森教授（Steven Jamison）是該計(jì)劃的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，他解釋說：“用太赫茲頻率的類激光脈沖對(duì)相對(duì)論光束進(jìn)行受控加速，是開發(fā)新的粒子加速器方法的里程碑。在使用電磁頻率高一百倍的情況下與傳統(tǒng)的粒子加速器相比，飛秒時(shí)間尺度上的粒子束控制有了革命性的進(jìn)步?！?/p>

“通過對(duì)以光速99.99%傳播的粒子進(jìn)行太赫茲加速度的演示，我們已經(jīng)確認(rèn)了將太赫茲加速度縮放為高度相對(duì)論能量的途徑?！?/p>

盡管研究人員注視著他們的概念在用多米長(zhǎng)的設(shè)備代替多公里規(guī)模的研究加速器（例如歐洲3公里長(zhǎng)的漢堡X射線源）方面的長(zhǎng)期作用，但他們希望立即產(chǎn)生影響屬于放射治療和材料表征領(lǐng)域。

曼徹斯特大學(xué)物理高級(jí)講師Darren Graham博士說：“沒有Cockcroft研究所提供的獨(dú)特的協(xié)作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)這一里程碑是不可能的。Cockcroft研究院幫助匯集了來自蘭開斯特大學(xué)的科學(xué)家和工程師，曼徹斯特大學(xué)和STFC的Daresbury實(shí)驗(yàn)室工作人員?！?/p>