当粒子加速器缩小100倍

一个太赫兹加速器模块

科学家们说他们已经找到了缩小粒子加速器一个关键组件的方法，这能允许未来更强大加速器小型化。由自由电子激光科学中心(CFEL)的德国电子同步加速器(DESY)的Franz K?rtner领导的该项研究已经发表在《自然通讯》期刊上。

在现代粒子加速器中，无线电频率范围内的射频电磁辐射被用来把电子加速到接近光速，这样的加速器包括大型强子对撞机(LHC)和其它用在X射线机等医疗设备中的加速器。

这一最新突破依赖于转而使用太赫兹辐射(THz)，其频率在电磁频谱上介于红外辐射和微波之间，波长相比射频短1,000倍。作为结果，起电子加速作用的“加速器模块”可以做得相对更短，其横截面仅仅有1毫米——相比之下一般加速器里的有10厘米。这意味着整个加速器尺寸可以大大减少而同时还能达到类似的能量——并且它也可以更容易地扩大规模来实现更高能量。

(a)太赫兹直线加速器原理图 (b)毫米级THz直线加速器照片 (c)电光取样确定的太赫兹脉冲时域波形 (d)5厘米长太赫兹波导出口处的太赫兹脉冲时域波形 (e)正规化的聚焦太赫兹束强度。

“因为波长较短，太赫兹辐射比射频更有用，因此产生相同的加速场需要的能量较少，只要我们能产生出更多太赫兹辐射，就能用更高能量进行加速，毫无问题。”K?rtner说。

虽然太赫兹辐射在以前已被考虑过，但在高能量下它很难用于电子束。在这项最新研究中，研究者们转而使用激光来产生相对高的能量。他们的原型将粒子能量增加了7千电子伏特(KeV)，但他们认为在三到四年中，他们可以达到20兆电子伏特(MeV)的能量。这种能量对于小型粒子加速器来说是有用的，但对于LHC这样动用超过13万亿电子伏特(TeV)能量的就没什么用了。

“这并不是一个特别大的加速，但实验证明该原理真实有效，”CFEL的共同作者Arya Fallahi在一份声明中说。因此，科学家们是看不到他们的研究对于像LHC之类加速器有用，因为这需要产生太多太赫兹才行，但它能用在医疗等其它领域中更紧凑的加速器里，甚或是在规模比不上LHC的直线加速器里。