粒子加速器在半導(dǎo)體應(yīng)用、醫(yī)學(xué)成像與治療以及材料、能源和醫(yī)學(xué)研究方面具有巨大的潛力。但傳統(tǒng)加速器需要很大的運(yùn)行空間，非常昂貴，只有少數(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)才有。據(jù)最新一期《極端條件下的物質(zhì)與輻射》雜志報(bào)道，包括美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)展示了一種長(zhǎng)度不到20米的緊湊型粒子加速器，名為先進(jìn)激光尾流場(chǎng)加速器，它可產(chǎn)生能量為100億電子伏的電子束。

該氣室是得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開發(fā)的緊湊型激光尾流場(chǎng)加速器的關(guān)鍵組件。圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

目前在美國(guó)只有兩個(gè)加速器可達(dá)到如此高的電子能量，但長(zhǎng)度都達(dá)到3公里?，F(xiàn)在，研究人員可在10厘米內(nèi)的腔室中達(dá)到這么高的能量。

激光尾流場(chǎng)加速器的原理是，用極強(qiáng)的激光射擊氦氣，將其加熱成等離子體并產(chǎn)生波，將電子從氣體中擊出，形成高能電子束。這一概念自1979年被提出以來，一直廣受關(guān)注。

此次，研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵進(jìn)展依賴于納米顆粒。輔助激光擊中氣室內(nèi)的金屬板，金屬板注入一股金屬納米粒子流，增強(qiáng)了從波傳遞到電子的能量。

激光就像一艘掠過湖面的小船，會(huì)留下尾跡，電子像尾波沖浪者一樣駕馭著這股等離子波。研究人員比喻說，沖浪者很難在不受控的情況下進(jìn)浪，所以一般情況下摩托艇會(huì)拖著沖浪者進(jìn)浪。在新型加速器中，納米粒子相當(dāng)于摩托艇，它們?cè)谡_的點(diǎn)和正確的時(shí)間釋放電子，所以它們都能在尾波中“沖浪”。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了世界上最強(qiáng)大的脈沖激光器之一——得州拍瓦級(jí)激光器，每小時(shí)發(fā)射一次超強(qiáng)脈沖光，但持續(xù)時(shí)間僅為150飛秒，不到閃電放電時(shí)間的十億分之一。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在探索將他們的加速器用于多種目的，如測(cè)試太空電子設(shè)備抵御輻射的能力、拍攝芯片設(shè)計(jì)的3D內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至開發(fā)新的癌癥療法和先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。

這種加速器還可用來驅(qū)動(dòng)X射線自由電子激光器，這種設(shè)備可拍攝原子或分子尺度的慢動(dòng)作電影，如藥物與細(xì)胞的相互作用、電池內(nèi)部導(dǎo)致起火的變化、太陽能電池板內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，以及病毒蛋白質(zhì)在感染細(xì)胞時(shí)的形狀改變。