粒子加速器在半導體應用、醫(yī)學成像與治療以及材料、能源和醫(yī)學研究方面具有巨大的潛力。但傳統(tǒng)加速器需要很大的運行空間，非常昂貴，只有少數(shù)國家實驗室和大學才有。據(jù)最新一期《極端條件下的物質(zhì)與輻射》雜志報道，包括美國得克薩斯大學奧斯汀分校在內(nèi)的研究團隊展示了一種長度不到20米的緊湊型粒子加速器，名為先進激光尾流場加速器，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奧斯汀分校開發(fā)的緊湊型激光尾流場加速器的關鍵組件。圖片來源：物理學家組織網(wǎng)

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

激光尾流場加速器的原理是，用極強的激光射擊氦氣，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，一直廣受關注。

此次，研究團隊的關鍵進展依賴于納米顆粒。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浪，所以一般情況下摩托艇會拖著沖浪者進浪。在新型加速器中，納米粒子相當于摩托艇，它們在正確的點和正確的時間釋放電子，所以它們都能在尾波中“沖浪”。

在實驗中，研究人員使用了世界上最強大的脈沖激光器之一——得州拍瓦級激光器，每小時發(fā)射一次超強脈沖光，但持續(xù)時間僅為150飛秒，不到閃電放電時間的十億分之一。

目前，研究團隊正在探索將他們的加速器用于多種目的，如測試太空電子設備抵御輻射的能力、拍攝芯片設計的3D內(nèi)部結(jié)構，甚至開發(fā)新的癌癥療法和先進的醫(yī)學成像技術。

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