超小型粒子加速器用4吋距離完成原本需要1.9英哩的工作
美國祇有兩台加速器能產生100 億電子伏特的粒子束,而且每台長約1.9 英里(3 公里)。TAU系統公司的執行長說:”我們現在可以在10公分(4吋)內達到這個能量等級。”
TAU系統公司執行長表示:「這種緊湊型先進的加速器還需要一個巨大的雷射器來運作–在這種情況下,德州佩塔瓦雷射(Texas Petawatt Laser)位於奧斯汀德克薩斯大學高能量密度科學中心的一個34英尺(10米)長的台子上。”
作為世界上最強大的雷射之一,這台”巨獸”能發射出超強雷射光束,其能量約為全美國裝置容量的1000倍,但每小時只能發射一次,而且只能持續150飛秒,即閃電放電時間的十億分之一。
TAU 的設備不到66 英尺(20 公尺)長,發射出的光束高達10 GeV。它使用的是1979 年首次描述的改良版若飛加速技術,目前許多加速器計畫都在使用這種技術。
普通粒子加速器實際上是一系列環,當給它們施加正電壓時,就能吸引電子。這些環依次通電,以越來越快的速度將電子拉過隧道,每個環在電子到達之前都會關閉。
電子診斷裝置,包括一個氣室、一個偶極磁鐵和兩個閃爍屏DRZ1 和DRZ2。整個裝置放置在真空室中。雷射和電子束從右向左傳播。
雷射驅動的加速器或多或少會將光脈衝本身變成光速電磁鐵,使粒子追隨其後,在極短的距離內聚集超常的速度和能量。
TAU 的設備使用充滿氦氣的小室。當Petawatt 雷射發射光脈衝穿過這些氣體時,脈衝的巨大能量會將氣體電離成等離子體。當它穿過等離子體時,脈衝會在身後留下一道尾跡,就像船在水中行駛時留下的尾跡一樣,只不過在這種情況下,它會產生一道極其強大的電荷波動尾跡。
如果在適當的時候注入一個電子,這些巨大的移動電荷就會在光脈衝後面拉動和推動它,耗盡原始雷射脈衝的能量(但不是速度),並將其轉移到加速的電子上,推動它在很短的距離內達到”光速的一大部分”。
TAU在這一裝置中取得的關鍵進展是採用了輔助燒蝕雷射器,該雷射器可向氣室內的金屬板發射精確定時的脈衝串,向氣室注入金屬奈米粒子流,從而在電子跟隨雷射脈衝串移動的過程中增強其能量。
532 奈米雷射穿過頂窗聚焦到金屬板表面,透過雷射燒蝕產生奈米粒子。
德州大學奧斯汀分校物理學副教授兼TAU 系統公司執行長比約恩-“曼努埃爾”-赫格利奇(Bjorn”Manuel”Hegelich)說:「要進入大浪而不被壓倒是很難的,所以衝浪者會被水上摩托車拖入浪中。”在我們的加速器中,相當於噴氣滑雪板的是奈米粒子,它們能在正確的時間和正確的點釋放電子,因此它們都在波浪中。我們能讓更多的電子在我們希望的時間和地點進入波中,而不是在整個相互作用過程中統計分佈,這就是我們的秘訣。”
赫格利希和他的團隊正在開發自己的桌面大小的雷射系統,他們說這將使整個系統更加緊湊,每秒將發射數千次,而不是每小時一次。
那麼,超小型高能粒子加速器有什麼用呢?也許是用來驅動X 射線自由電子雷射器,它有可能拍攝原子或分子尺度的慢動作影片。它還可以用來測試用於太空飛行的電子元件是否能經得起輻射的考驗,對半導體晶片設計的內部結構進行三維成像,並有可能開發出新的癌症治療方法和先進的醫學成像技術。
該團隊的研究論文發表在《極端物質與輻射》(Matter and Radiation at Extreme)雜誌。