用于三维芯片扫描的微型超准直器

5月前

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BJORN “MANUEL” HEGELICH

直到最近，美国只有两台运行中的粒子加速器（https://spectrum.ieee.org/particle-accelerator-chip-sized）能够产生100亿电子伏特或更高能量的电子束，这两台机器都大约有3公里长。现在，在一项新的研究中，研究人员发现了一个只有10厘米长的设备。科学家们补充道，这一进步可能产生的强大的紧凑型粒子加速器可能会应用于癌症治疗和新的3D芯片设计（https://spectrum.ieee.org/amd-3d-stacking-intel-graphcore）的3D成像。

新设备背后的概念于1979年首次被描述。一种极其强大的激光照射气体，产生等离子体，而等离子体中的波以高能束的形式将电子去除。

这些“尾流场加速器（wakefield accelerators，https://spectrum.ieee.org/a-particle-accelerator-the-size-of-a-sewing-needle）”能够以大约1000倍于使用传统千米级粒子加速器的效率为单个电子提供惯性。科学家们长期以来一直认为，尾流场加速机可以将千米级设施缩小到房间大小或更小（https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/78/1/012021/meta）。

尾流场加速器面临的一个关键问题是，由于激光和气体条件的微小变化，其电子束的性质会有多大波动。在这项新的研究中，研究人员试图使用纳米颗粒（https://spectrum.ieee.org/solar-hydrogen-gold-nanoparticles）来提高尾流场加速器的稳定性。

研究人员首先向充满氦气的室内的铝板发射激光脉冲。这就在气体内部产生了一团铝颗粒，每一个大约有10纳米宽。

然后，科学家们向室内的气体和纳米颗粒混合物发射了世界上最强大的脉冲激光器之一，奥斯汀的Texas Petawatt Laser（https://spectrum.ieee.org/the-laser-at-50）。这台机器每小时可以发射一个PB瓦的激光脉冲。这次爆发将这一PB瓦（是美国装机功率的1000倍）合并成一个150飞秒的脉冲，相当于闪电持续时间的十亿分之一。

“They’ll become the cutting-edge research tools for everything from material science, bio, chemistry and more. They will enable critical research for new batteries, solar cells, designer pharmaceuticals, vaccines, drugs, and hundreds of other industries”
—Bjorn Manuel Hegelich, University of Texas at Austin

纳米颗粒有助于提高从等离子体波传递给电子的能量。这项研究的资深作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家Bjorn Manuel Hegelich说，这使得更多的电子出现在需要的时候和地方。

UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN

Hegelich团队的新加速器能够发射100亿电子伏特（10GeV）的电子束。它还可以产生4 GeV到6 GeV范围内的低能量光束。他还是TAU Systems的创始人兼首席执行官，该公司持有该新设备专利的独家许可证。

低能量光束的近期应用包括新的3D芯片设计的3D成像、癌症的电子疗法、太空电子的辐射测试，“以及诊断 —— 它可以实现X射线诱导声学计算机断层扫描等新方法（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213597920300173），”Hegelich说。

Hegelich说，100亿电子伏特束的最大应用是驱动X射线自由电子激光器（https://spectrum.ieee.org/x-ray-laser），这是“终极的X射线显微镜，在空间和时间上都能实现分子分辨率”。“它们将成为材料科学、生物、化学等领域的尖端研究工具。它们将为新电池、太阳能电池、名牌制药、疫苗、药物和数百个其他行业提供关键研究。”

Hegelich说，目前全球只有少数这种激光器可用，“这意味着使用它们的途径和可用时间非常有限”。他补充道，他们的研究可能会将这些机器“从校园缩小到实验室规模，这样你就可以在每一所大型大学甚至公司都有一台。这将使访问民主化，使更多的研究和行业可以访问波束时间。”

科学家们在研究过程中面临的主要挑战是，Texas Petawatt Laser每天只发射大约四到五次，而能量和脉冲持续时间等激光参数“可能会有很大的波动，因为系统的某些部分已经很旧了，”Hegelich说，“总体统计数据比较匮乏。”

Hegelich说，未来，科学家们希望使用具有更高发射率的更小激光器重复他们的研究，以收集数据，帮助他们“精确控制这种新机制”。Hegelich说，他们希望将射速“从每小时一次提高到每秒100次左右，然后再提高到每秒10000次以上”。

Hegelich说，这样的研究可以将这种基于纳米颗粒的加速器“缩小到较低的激光脉冲能量，同时保留我们观察到的优势”。“这将使我们能够用给定的激光达到更高的电子能量，或者用较小的激光达到目标电子能量。”

科学家们在《极端物质与辐射》杂志上详细介绍了他们的发现（https://doi.org/10.1063/5.0161687）。