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指尖上的加速器
发表日期:2019-04-28 19:45| 来源 :本站原创 | 点击数:
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  指尖上的加快器

  2013-10-25 13:01

  三联糊口周刊

  你也许正在筹算升级你家里的电脑,大概还筹算在旁边再添置一台打印机,可是有没有想过在书桌上再摆放些其他什么,好比说,一台粒子加快器?这个建议此刻听上去确实有些不着边际,但在不远的将来,粒子加快器也许真会成为可以或许在超市里选购的家用电器之一。

  欧洲核子核心展室里的环形大型重子对撞机模子

  说起粒子加快器,人们最先想到的可能就是现在的科学明星,深埋在法国和瑞士鸿沟100多米的地下,属于欧洲核子核心(CERN)的长达27公里的环形大型重子对撞机(LHC)。恰是这个超等机械通过加快亚原子粒子到接近光速然后使之对撞,才协助人类发觉了希格斯玻色子,现在它正在升级革新,之后将会以更强的能量进行粒子对撞试验。一般说,加快器的轨道越长或是半径越大,越能使在此中运转的粒子速度更接近光速,因而粒子对撞的能量才更大。所以,大型重子对撞机成为世界上最大的机械,坐落在斯坦福大学的属于美国能源部的SLAC国度加快器尝试室的线公里。

  一个个的巨型粒子加快器不免让人推想,人们为了把粒子加快到更高的能量,粒子加快器会变得越来越大,物理学家们迟早会制造出一个环绕着整个地球的粒子加快器来。可是在美国SLAC国度加快器尝试室的比来研究项目却与之相反,他们最新研制的粒子加快器以至能够摆放在人的指尖上,这种只要几毫米的比一个米粒还要小的由石英玻璃制成的粒子加快器比来吸引了全世界的关心,也许它会改变粒子物理学研究的体例,而且使粒子加快器真正走进人们的日常糊口。

  对于微型粒子加快器的研究并非是在这几年才兴起的,不断有良多物理学家但愿制造出微型加快器,可是这项研究直到比来几年才有了长足前进,缘由就在于商用激光光源变得廉价。别的,人类在半导体物理学范畴的快速前进使得人们对于微观布局进行描绘的能力大大加强,能够实现纳米级的精细机关,这两方面手艺的前进才使微型粒子加快器成为现实。

  人们对于粒子加快器的研究,有些雷同于20多年前对于计较机内核的研究,在人们认识到计较机可能对人类糊口有很大协助时,对于计较机内核布局的研究以及其将来成长标的目的的切磋也越来越多。一方面,计较机内核的布局变得越来越复杂、复杂,耗电也越来越多,这为日后研制出复杂的大型计较机打下了根本。但在其时也有另一个研究标的目的,认为计较机的内核只需要做到尽量微型、简单,耗电少,在这个标的目的的研究为日后成长出手机等其他便携式电子设备打下了根本(精简指令集计较机的项目研究也发源于斯坦福大学)。

  2011年在墨西哥召开的第24届国际微机电系统会议上,美国康奈尔大学的研究者就展现了他们研制的微型粒子加快器,他们不是操纵凡是大型粒子加快器利用的巨型磁铁,而是通过平行陈列的电极导轨在5毫米长的轨道上加快氩离子。它的研究者认为,在这个微型粒子加快器的根本上继续改良,将能够研究出只要鞋盒子大小的电子扫描显微镜。

  同时,在加州大学洛杉矶分校(UCLA)也有一组研究者进行微型粒子加快器的研究,他们在2011年起首颁发了研究功效,这个机械被称为“微型加快器平台”(Micro Accelerator Platform,MAP)。在这个加快器中,电子的运转轨道只要几微米。这个微型粒子加快器平台布局随后在斯坦福大学进行测试,同时被测试的还有SLAC国度尝试室和斯坦福大学的合作项目“基于电解质的激光加快器”(Dielectric-based Laser Accelerator,DLA)。2013年9月27日,SLAC国度尝试室和斯坦福大学的研究者们在《天然》杂志上配合颁发了他们的研究功效《激光驱动电解质微布局电子加快器的展现》(Demonstration of Electron Accelerationina Laser-driven Dielectric Microstructure),引见他们的最新研究功效能够放在指尖上的微型粒子加快器。

  斯坦福大学研制的微型直线加快器

  大型的环形粒子加快器凡是利用微波发生的电场对电子进行加快,而直线粒子加快器则是通过高速转换的电极对电子加快。在直线粒子加快器的轨道中,带负电的电子会颠末分歧的电极,它们被负电极排斥,而被远端的正电极吸引。当电子加快运转到了远端的正电极,这个正电极又转换为负电极,继续鞭策电子,持续不竭地加快,恰是通过这种体例使电子的速度达到接近光速。基于电解质的激光加快器加快电子的体例雷同于直线加快器,在这个微型布局中,电子运转轨道的高度只要人头发丝宽度的1/200,研究者们操纵红外激光垂直感化于微型加快器的电子运转轨道,而红外激光的波长刚好是电子运转轨道高度的两倍,激光高速振荡的电磁场感化于电子,通过在加快器轨道上的微型布局,能够以极高的效率对电子加快。

  在基于电解质的激光加快器最后的展现尝试中,它曾经展示了很是高效的加快电子能力,每米能够使电子能量添加300兆电子伏,这曾经是SLAC国度加快器尝试室的直线倍,而研究者的方针是把效率再提高3倍,实现每米使电子的能量添加1000兆电子伏。

  虽然曾经实现了远超一般粒子加快器效率的微型激光加快器,可是这个“指尖上的加快器”还不算是一个完整的研究功效。对粒子进行加快,凡是需要颠末两个部门,第一步是起首把粒子加快到接近光速,第二步是对粒子注入能量,对其进一步加快。而基于电解质的激光加快器能够实现的是此中的第二步,它起首需要电子被加快到接近光速的速度,然后被导入到这个微型轨道中。目前,电子加快的第一步尚无法通过基于电解质的激光加快器来实现,只能先通过SLAC国度加快器尝试室的线性粒子加快器起首对电子束进行加快,之后再把电子束通过磁场导入到微型加快器中。由于在线性粒子加快器中加快的电子束弘远于基于电解质的激光加快器的电子轨道,因而每50个电子中大约才有一个电子进入到基于电解质的激光加快器中。想要一个能够放在书桌上的粒子加快器,生怕还要等上一段时间。

  而几乎与此同时,2013年9月27日,来自德国马克斯普朗克研究所和埃尔朗根纽伦堡大学的物理学家约翰布鲁尔(John Breuer)和皮特霍默霍夫(Peter Hommel hoff)在《物理评论快报》(PRL)杂志颁发论文《在电解质布局上对非相对论性电子进行激光加快》(Laser-based Acceleration of Nonrelativistic Electronsata Dielectric Structure),操纵与斯坦福大学类似的手艺,能够对低能量的电子束进行初步加快。那么,若是能够把这两个布局连系到一路,就有可能真正制造出一个可以或许放在书桌上的微型粒子加快器。

  一个家用的微型粒子加快器有什么用途?现实上,人们糊口中经常用到的X光探测器,老式电视机的显像管,都算得上是粒子加快器。若是这种新型的便携式微型粒子加快器研制成功,真正能够成为常见的家用电器,那么它可能有形形色色的用途,好比制造便携式的平安检测设备,以至是用作医治癌症的医疗设备。这种本来用于高能物理学尝试的巨型尝试设备,也许会敏捷走进人们的糊口。

  (本文写作参考了美国物理学会、《天然》杂志和斯坦福大学的相关报道)

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