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最微小的粒子加速器是如此小它可以适配进一个铅笔尖

2023-10-19 13:06阅读：

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最微小的粒子加速器是如此小它可以适配进一个铅笔尖
一个测量长度仅为0.2毫米的粒子加速器用激光来将电子加速到每秒十万公里
新科学家 By Karmela Padavic-Callaghan
18 October 2023

Technology

最微小的粒子加速器是如此小它可以适配进一个铅笔尖


微小粒子加速器的侧视图。Tom Chlouba, Roy Shiloh, Stefanie Kraus, et al.
一个仅0.2毫米长的粒子加速器是从来建造的同类设备中最小的。它是第一个能产生快速和聚焦良好的电子束的微型加速器并且可能有医疗应用。最终，它能被做得足够小来适合放在一个铅笔尖上。
诸如大型强子对撞机或那些在医疗机构中用于治疗癌症的粒子加速器用电场和磁铁加速起电子等粒子。这些电场通常用无线电波产生，其有以米或厘米为单位的波长。德国埃尔朗根-纽伦堡大学的皮特毫摩尔豪夫和他的合作者选择来用不同类型的电磁波的光来加速粒子，这种电磁波有一个测量远更短的以数百纳米为单位的波长。这允许他们来将加速器的尺寸从公里宽缩小到一毫米以下。
为制造它，他们用硅成形成数千根被排列成两条平行线的2微米高的柱子，每条线长0.2毫米。为运行这个加速器，研究人员从上面在这根柱子线“跑开”的上方照射了激光同时从侧面向它之中注入电子。来自激光的光波与柱子相互作用来创造一个使电子以窄束聚集在一起的电磁场。这些粒子团以每秒超过十万公里的速度加速穿过这种结构。
该团队用对跑开增加更多的柱子实验了。当他们建造了一个0.5毫米长的版本时，他们发现了它们可以以甚至更高的速度加速电子，增加它们携带的能量43%。毫摩尔豪夫说，这表明这个加速器是可扩展的，并且能被制造的更强大同时维持足够小被集成到芯片上或甚至直接的在一个光纤的末端。
加州大学洛杉矶分校的皮特洛穆苏梅西说，以前已经建造了一些微型加速器，但这个是第一个这样的装置，不仅可以加速电子，还可以将它们保持约束在一个能被用于科学实验的相对狭窄的束中。他说，一个加速器不只是一个给一个粒子提供能量的方案，你还需要能够来横向的约束这些粒子。
此刻，这种新装置只给电子大约它们在更大的加速器中获得的能量百万分之一的能量。但毫摩尔豪夫说，可能有办法来提高每个电子的能量。他认为用一种叫做熔融硅的玻璃材料制造柱子可能帮助的，这种材料能承受更强的激光。
毫摩尔豪夫说，科学家在1960年代首次提出用光来缩小加速器，但工程挑战使当时制造它困难的。
毫摩尔豪夫说，“我们认为我们能最终缩小加速器以便它们将适配进一支铅笔尖。然后，你能真的想到为医生提供新的治疗工具，或者为生物实验室提供小规模的消毒工具，我们认为我们甚至还没有设想出所有可能的[应用”。
期刊参考Nature DOI: 10.1038/s41586-023-06602-7
https://www.newscientist.com/article/2398085-tiniest-particle-accelerator-is-so-small-it-could-fit-into-a-pen-tip/

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