脑洞大开的科技创新：桌面上的粒子加速器
作者 Jennifer Ouellette
编译 郭蕊香
编者按
为了研究物质最小的微观结构，我们需要建能量越来越高的加速器。现代高能加速器的尺寸和成本都大到了一个惊人的地步。也许仅仅用放大尺寸来提高能量不是一个聪明的方法。现在科学家们正试图寻找一个高能加速器的全新设计思路。这就是创新精神。
当我们想到粒子加速器时，脑海中出现的往往是一些庞然大物。的确是这样，目前世界上最大的粒子加速器是欧洲的大型强子对撞机，总长26.649公里，中国科学院高能物理研究所正计划到2028年建造一个世界最大的粒子对撞机，全长达52公里。巨大的占地面积和昂贵的造价使得世界上只有少数几个国家可以支持这样的高能物理实验，而其传统的加速方式也限制了它加速更高能量的粒子。找到突破传统的加速梯度限制，建造造价低廉、小型化，甚至可以缩小到桌面大小的粒子加速器是近年来一个重要的研究方向。最近，戈登和贝蒂●摩尔基金会(The Gordon and Betty Moore Foundation)将一个1350万美元的研究基金颁发给了斯坦福大学，用以在接下来的五年中开发鞋盒尺寸大小的粒子加速器。
这个项目是在斯坦福大学SLAC国家加速器实验室与德国弗里德里希--亚历山大大学(Germany’s Friedrich-Alexander University in Erlangen-Nuremberg)长年研究合作基础上的又一项重大合作项目。如果进展顺利，这项合作将产生新一代小型紧凑粒子加速器，可以放在任何实验室的光学平台上运转，将在医疗、x射线成像和安全扫描仪技术方面发挥巨大的应用潜力。
正如半导体芯片技术曾全面改变了电子计算机的面貌一样，这项芯片加速器计划致力于全面改变加速器的面貌。试想计算机刚刚诞生时，依赖于笨重的真空管技术，一台计算机大到可以填满整间屋子，是晶体管的发明以及大规模集成电路技术的发展使我们进入了桌上电脑和智能手机时代。尽管由于辐射问题，我们未必愿意手里拿一台正在运转的粒子加速器，但在这个研究项目的资助下，有一天科学家们将真的能够制作一台手持式粒子加速器。
很多方法已经被考虑用来构建桌上加速器。首先是激光等离子体尾场加速的方法，它能够在几厘米的距离里把电子加速到极高的能量，和传统加速器在两英里加速距离上获得的能量不相上下。通过发射高强度、短脉冲的激光到等离子气体(云电离气体)，在激光传播方向上等离子体背景中的电子被排开，形成跟随在光脉冲之后的低密度电子区域。而离子因为质量较重，在激光振荡时间尺度内的运动可以忽略。激光传播过后，由于电荷分离形成的库仑力再次将电子拉回，从而形成振荡等离子体波。这样穿过等离子体的光波在其身后留下一堆波动着的带电粒子体，就如一艘快速行驶的小船在其路径上搅起的水花。接下来的第二个激光脉冲会将更多的电子推入激光路径中央的等离子气体，仿佛冲浪一样，电子会从激光脉冲中获得能量而使自己加速。
2013年SLAC加速器实验室发表在《自然》杂志上的一篇文章报告了另一个加速器模型，通过用激光加速电子穿过一个比大米粒还小的具有纳米结构的硅玻璃芯片，可以成功地把电子加速到接近光速，加速速度是他们实验室拥有的传统线性加速器的10倍还多。
等离子体尾场概念是使用离子化气体提供一种结构，这样的激光粒子加速器是在离子和电子形成的介电光学材料上形成的(介电材料是一种高度电极化的物质，行为类似绝缘体，可传输静电力不可导电)。单芯片加速器将会采用激光激励，但它不使用等离子气体，它会工作在真空环境中，用纳米结构的芯片做它的工作介质。这个电子加速过程发生在一个比头发丝的二百分之一还小的通道内，用于激发的红外激光产生前后振荡的电场，科学家们通过在硅玻璃上的通道壁上蚀刻纳米尺寸的结构花样(如下图)使被加速的电子感应到的加速电场超过感应到的减速电场，这样电子穿过这样的纳米结构后被加速，其增加的能量远远大于损失，离开通道时形成高能电子。
同年德国弗里德里希--亚历山大大学的研究小组在《物理评论快报》上发表了他们的实验结果，他们不是直接拉动电子到接近光速的速度，而是加速从扫描型电子显微镜所发射的高速电子，也取得了类似的结果。这两个实验证明，这个建立在芯片上的粒子加速器的概念是相当可行和成熟的，值得进一步发展。
加速器的各个部分都可以在单个硅晶片上制作出来，而这一切都可以使用现有的微加工技术来实现。将上面提到的纳米微结构连续堆叠起来，电子就有可能达到越来越高的能量，很像传统加速器使用序列金属腔加速，需要的能量越高，就需要串联更多的加速器单个硅晶片。当然第一步是设计加速器所有各部分的微结构，然后想办法把他们集成在单个晶片上。
“芯片当然是最关键的成分，但一个真正可用的加速器仅仅这个组件是远远不够的”,这个项目的合作者Hommelhoff博士在一份新闻稿中写到，“我们很清楚面临的主要挑战将是什么，但目前我们还不知道该如何解决它们。但是作为科学家，我们正是为应对这些挑战而生”。
1、
2、Breuer, John and Hommelhoff, Peter. (2013) “Laser-based acceleration of non relativistic electrons at a dielectric structure,” Physical Review Letters111: 134803.
3、Goers, A. J. et al. (2015) “Multi-MeV Electron Acceleration by Subterawatt Laser Pulses,” Physical Review Letters 115(19).
4、Litos, et al. (2014) “High-efficiency acceleration of an electron beam in a plasma wakefield accelerator,” Nature 515: 92-95.
5、Peralta, E.A. et al. (2013) “Demonstration of electron accelerationin a laser-driven dielectric microstructure,” Nature 503: 91-94.
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