粒子加速器在半導體應用、醫學成像和治療以及材料、能源和醫學研究方面具有巨大潛力。但是，傳統加速器需要大量的肘部空間（千米），因此價格昂貴，而且僅限於少數國家實驗室和大學使用。一個合作研究小組開發了一種緊湊型粒子加速器，能夠以比傳統加速器小得多的體積產生高能量電子束。這項突破為醫學、半導體和科學研究帶來了新的可能性，並計劃進一步小型化和提高實用性。

德州大學奧斯汀分校、多個國家實驗室、歐洲多所大學以及總部位於德州的TAU Systems 公司的研究人員展示了一種長度不到20 公尺的緊湊型粒子加速器，它能產生能量為100 億電子伏特（10 GeV）的電子束。目前，美國祇有另外兩台加速器能夠達到如此高的電子能量，但這兩台加速器都長約3 公里。

這個氣體室是德州大學奧斯汀分校開發的緊湊型渚場雷射加速器的關鍵部件。在加速器內部，功率極強的雷射撞擊氦氣，將其加熱成等離子體，並產生波浪，將氣體中的電子以高能量電子束的形式擊出。圖片來源：Bjorn”Manuel”Hegelich

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”-赫格利希（Bjorn”Manuel”Hegelich）表示：「我們現在可以在10公分的範圍內達到這些能量，”他指的是產生電子束的腔室的大小。他是最近發表在《極端物質與輻射》（Matter and Radiation at Extreme）雜誌上的一篇介紹他們成就的論文的資深作者。

赫格利希和他的團隊目前正在探索如何將他們的加速器（稱為先進的汪場雷射加速器）用於各種用途。他們希望用它來測試太空電子設備的抗輻射能力，對新型半導體晶片設計的三維內部結構進行成像，甚至開發新型癌症療法和先進的醫學成像技術。

氣室繪圖。在氣室中，功率極強的雷射照射氦氣，將其加熱成等離子體，並產生電波，將氣體中的電子以高能量電子束的形式發射出去。奈米粒子由透過頂部視窗照射並撞擊金屬板的次級雷射產生，從而增強了傳輸給電子的能量。資料來源：德州大學奧斯汀分校

這種加速器也可用於驅動另一種名為X 射線自由電子雷射的設備，它可以拍攝原子或分子尺度的慢動作過程。這類過程的例子包括藥物與細胞的相互作用、可能導致電池起火的電池內部變化、太陽能板內部的化學反應以及病毒蛋白質在感染細胞時的形狀變化。

汪場雷射加速器的概念最早出現在1979 年。功率極強的雷射可擊中氦氣，將其加熱成等離子體，並產生波浪，將氣體中的電子擊出高能量電子束。在過去的幾十年裡，不同的研究小組開發了更強大的版本。赫格利希和他的團隊的關鍵進展依賴奈米粒子。輔助雷射照射氣室內的金屬板，金屬板注入金屬奈米粒子流，增強了電子波的能量。

雷射就像一葉扁舟劃過湖面，留下一道波紋，電子就像衝浪者一樣乘著這道等離子體波浪前進。

德州大學奧斯汀分校研發的緊湊型渚波場雷射加速器圖。雷射光束從右側進入氣室，在氣室中產生電子束，電子束最終進入左側的兩個閃爍屏（DRZ1 和DRZ2）進行分析。資料來源：德州大學奧斯汀分校

赫格利希說：『要進入大浪中而不被壓倒是很難的，所以浪花衝浪者會被水上摩托車拖入浪中。在我們的加速器中，相當於噴氣式滑雪板的是奈米粒子，它們能在適當的時間和適當的點釋放電子，因此電子都在波浪中。我們會在我們希望的時間和地點讓更多的電子進入波中，而不是在整個交互過程中統計分佈，這就是我們的秘訣。”

在這項實驗中，研究人員使用了世界上最強大的脈衝雷射之一–德州皮塔瓦雷射（Texas Petawatt Laser）。單一皮塔瓦雷射脈衝的功率約為美國裝置功率的1000倍，但持續時間只有150飛秒，不到閃電放電時間的十億分之一。該團隊的長期目標是用他們目前正在開發的雷射器來驅動他們的系統，這種雷射可以放在桌面上，每秒可以重複發射數千次，從而使整個加速器比傳統加速器更加緊湊，適用範圍更廣。