粒子加速器在半导体应用、医学成像与治疗以及材料、能源和医学研究方面具有巨大的潜力。但传统加速器需要很大的运行空间，非常昂贵，只有少数国家实验室和大学才有。据最新一期《极端条件下的物质与辐射》杂志报道，包括美国得克萨斯大学奥斯汀分校在内的研究团队展示了一种长度不到20米的紧凑型粒子加速器，名为先进激光尾流场加速器，它可产生能量为100亿电子伏的电子束。

目前在美国只有两个加速器可达到如此高的电子能量，但长度都达到3公里。现在，研究人员可在10厘米内的腔室中达到这么高的能量。

激光尾流场加速器的原理是，用极强的激光射击氦气，将其加热成等离子体并产生波，将电子从气体中击出，形成高能电子束。这一概念自1979年被提出以来，一直广受关注。

此次，研究团队的关键进展依赖于纳米颗粒。辅助激光击中气室内的金属板，金属板注入一股金属纳米粒子流，增强了从波传递到电子的能量。

这台先进的激波激光加速器能够在更小的空间内达到10亿电子伏特的能量，使其在各种应用中更为灵活。研究团队利用德克萨斯州立大学拥有的全球最强大的脉冲激光——德克萨斯皮塔瓦特激光进行实验。这种激光每小时发射一次超强光脉冲，每个脉冲包含大约相当于美国电力装机容量的1000倍的电能，持续时间仅为150飞秒，远远短于闪电放电的十亿分之一。

研究人员目前正在努力创建一种由台式激光驱动的系统，能够每秒进行多次射击。这极大地提高了整个加速器的紧凑性，并相对于传统加速器扩大了其适用范围。

激光就像一艘掠过湖面的小船，会留下尾迹，电子像尾波冲浪者一样驾驭着这股等离子波。研究人员比喻说，冲浪者很难在不受控的情况下进浪，所以一般情况下摩托艇会拖着冲浪者进浪。在新型加速器中，纳米粒子相当于摩托艇，它们在正确的点和正确的时间释放电子，所以它们都能在尾波中“冲浪”。

目前，研究团队正在探索将他们的加速器用于多种目的，如测试太空电子设备抵御辐射的能力、拍摄芯片设计的3D内部结构，甚至开发新的癌症疗法和先进的医学成像技术。

这一创新的激光加速器技术将为多个领域带来重大影响。首先，通过在更小的空间内产生更高能量的电子束，科学家们可以评估太空电子设备对辐射的更高抵抗力。这对于太空探索和通信设备的发展具有重要意义。

其次，这项技术将有助于捕捉新兴半导体芯片设计的3D内部结构。这对于半导体工业而言是一项重要的进步，有望推动新一代芯片的研发和制造。

此外，先进的激波激光加速器有望在医学成像和治疗方面取得创新突破。通过精确控制电子束，可以提高医学成像的分辨率，同时在癌症治疗中也可能开辟新的途径。

最后，该加速器还可以用于驱动X射线自由电子激光器，从而在原子或分子尺度上拍摄过程的慢动作视频。这将有助于研究药物与细胞之间的相互作用、电池内部的变化、太阳能电池中的化学反应等。

总体而言，这一创新的激光加速器技术为科学家们提供了一个强大的工具，将推动科学研究和技术应用迈向新的高度。随着技术的不断发展和应用的拓展，相信这一领域将迎来更多令人振奋的发现和应用。

粒子加速器相关研究进展：

史上最小粒子加速器问世，能装进笔尖

微小粒子加速器。图片来源：Tomás Chlouba/Roy Shiloh

日前，德国科学家制造出一个长度仅为0.2毫米的粒子加速器，这是迄今为止同类设备中最小的，甚至可以装在笔尖里。它是第一个能够产生快速且聚焦良好的电子束的微型加速器，可以将电子加速到每秒10万公里，有望应用于医学领域。相关研究成果10月18日发表于《自然》。

大型强子对撞机或医疗设施中用于治疗癌症的粒子加速器，大多利用电场和磁铁加速电子等粒子。这些电场通常由无线电产生，其波长以米或厘米为单位。德国埃朗根-纽伦堡大学的Peter Hommelhoff与合作者选择使用一种不同的电磁波“光”来加速粒子，这种电磁波的波长要短得多，只有几百纳米。这使得他们能够将加速器的尺寸从几公里宽缩小到不足1毫米。

为了制造它，研究人员使用了数千根两微米高的硅柱，并将它们排列成两条平行线，每条线长0.2毫米。为了运行加速器，研究人员从上方将激光照射到这条柱状“跑道”上，同时从侧面注入电子。来自激光的光波与柱体相互作用产生电磁场，从而使电子聚集在一起形成狭窄的光束。这些粒子团能够以每秒10万公里的速度加速穿过该结构。

研究人员尝试在“跑道”上增加更多柱体。当他们制造出一个0.5毫米长的版本时，发现可以用更快的速度加速电子，使其携带的能量增加43%。Hommelhoff说，这表明加速器是可以扩展的，能够在保持足够小的同时变得更强大，也可以集成在芯片上，甚至直接集成在光纤末端。

美国加州大学洛杉矶分校的Pietro Musumeci说，之前虽然已经制造了一些微型加速器，但这是第一个不仅可以加速电子，还可以将其限制在相对狭窄的光束中用于科学实验的设备。

目前，这种新设备只能为电子提供相当于大型加速器百万分之一的能量。但Hommelhoff说，可能有办法提高每个电子的能量。他认为用一种名为熔融二氧化硅的玻璃材料制作这些柱体应该会有帮助，因为它可以承受更强的激光。

Hommelhoff说，科学家在20世纪60年代首次提出使用光来缩小加速器，但当时工程上的挑战使其难以实施。

“我们最终可以缩小加速器，甚至将它们放进笔尖，这有望为医生提供新的治疗工具或为生物实验室提供小型消毒工具。”Hommelhoff说。