粒子加速器有几种（价更低的粒子加速器）

粒子加速器有几种（价更低的粒子加速器）近几年，美国国家科学基金会对基础研究的一系列资助总共达到4百万美元，这其中也包括计算设备方面的资源。美国能源部(Department of Energy，DOE) 也提供了大量的实验设备和实验资金，同时给予了理论和仿真方面的技术支持。同样重要的是，Mori说到，在一个更抽象的水平，“高能物理学未来的目标是了解物质的基本粒子，为了继续这项研究，我们需要这些昂贵、大型且复杂的工具来供我们使用。”“未来的目标是高能量物理碰撞机的应用”，加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles，UCLA）物理、天文及电气工程教授Warren Mori说道，“通常情况下，这将会花费数百亿美元来构建。我们的目标就是使未来的碰撞机体积更小、价格更低廉。”美国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)资助的科学家及其合作者认为

图片说明：由两个等离子体尾波场加速（PWFA）的实验中，粒子仿真数据产生的图像。图中，电子束正从左上角移到右下角。图中的亮绿色部分表示电子密度的等值面，红色和蓝色部分代表平行电场。电子束用圆点表示，圆点的颜色代表了电子束的能量等级。仿真部分是基于加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles，UCLA）名为QuickPIC的电脑代码完成，可视化部分则是利用VisIt.完成。实验及仿真结果已发表在Nature上（Litos et al Nature vol. 515 pp. 512-515）。图片来源：Weiming An and Frank S. Tsung.

传统的粒子加速器是利用无线电波产生的电场来驱动电子及其他速度接近光速的粒子。但在射频机中，在加速器的性能达到极限之前，会在电场中设定一个上限值，这样导致电场不能正常驱动粒子，从而导致设备损坏。

然而近几年，科学家对所谓的“等离子体尾波场”研究发现，加速等离子体或者电离气体中的电子，不仅比传统的加速器更加有效，而且还能使电场的利用率提高一千倍甚至更多。

最重要的是，电子通过与等离子气体中的电子相互作用来获得能量的方式，有助于生产新一代更小更便宜的粒子加速器。

“未来的目标是高能量物理碰撞机的应用”，加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles，UCLA）物理、天文及电气工程教授Warren Mori说道，“通常情况下，这将会花费数百亿美元来构建。我们的目标就是使未来的碰撞机体积更小、价格更低廉。”

美国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)资助的科学家及其合作者认为，下一代更小、更便宜的加速器能提高它们的价值，并广泛应用在医学、国家安全、材料科学、工业和高能物理研究等领域。

Mori说道：“加速器同时可以用于放射物质的产生。当一个高能量的粒子上下波动时，会产生X射线，因此，可以利用小的粒子加速器作为辐射源，探测容器内部是否有核物质，也可以用来探测生物样本，由X射线组成的短脉冲，现在正被应用于观察化学键形式及蛋白质和病毒的内部结构。”

同样重要的是，Mori说到，在一个更抽象的水平，“高能物理学未来的目标是了解物质的基本粒子，为了继续这项研究，我们需要这些昂贵、大型且复杂的工具来供我们使用。”

近几年，美国国家科学基金会对基础研究的一系列资助总共达到4百万美元，这其中也包括计算设备方面的资源。美国能源部(Department of Energy，DOE) 也提供了大量的实验设备和实验资金，同时给予了理论和仿真方面的技术支持。

美国国家科学基金会物理学部门的项目总监，Vyacheslav (Slava) Lukin表示，“Mori的研究，结合了最先进的数值模拟算法和仿真工具，是通过创新来推进科学技术前沿的完美典范，只有对自然的基本规律以及等离子体的共性有了深刻理解才能做到这一点。”

斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）以及加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles，UCLA）的科学家们使用了美国能源部的SLAC国家加速实验室，在电子束运行相同距离的情况下，将电子束的能量增加至传统加速器的400到500倍。此外，能量传输的效率也高于早期的实验，这是第一个利用“等离子体尾波场”同时提高能量和效率的例子。

在这项实验中，科学家将若干组包含5十亿至6十亿电子的电子束送入激光产生的等离子体中，这些等离子体则位于充满热锂气体的烘箱里。每组中的第一束电子作为“驱动”束，它使所有的自由电子远离锂原子，剩下带正电的锂原子核，形成所为的“空泡”。被排开的电子则后退至第二束电子的后面，即所谓的“尾波”，从而形成“等离子体尾场”并使尾部电子获得更高的能量。

虽然早期的实验已经验证了等离子体尾场中的高场强加速性能，但是SLAC/UCLA团队第一次证明了在强空泡区域中，利用驱动波和尾波的组合能同时实现高效率和高场强加速。此外，被加速的电子最终以相对较小的能量形式分布在周围。

“由于是等离子体，因而没有击穿场强的限制。”Mori表示：“由于介质本身是完全电离的，所以不用担心击穿的现象发生。因此，等离子体装置中的电场值可以提升至传统加速器的一千倍以上。”

加州大学洛杉矶分校电气工程学院的Chandrashekhar Joshi教授是这项研究的主要研究人员，他也是SLAC研究组的长期合作伙伴，及Neptune号先进加速器研究项目驻加州大学洛杉矶分校）的负责人。他带领的团队研发了实验中用到的等离子源，该团队成员还包括Mike Litos 和 Mark Hogan等来自斯坦福直线加速器中心的加速器物理学家。Mori带领的团队则负责实验中的计算机仿真部分。他们的研究成果于2014年秋季发表在Nature上。

Mori表示：“该研究的近期目标是生产出体积更加紧凑的加速器，用于大学机构和工业领域，长期目标仍是研发出处于量子力学前沿的高能量碰撞机。”（科学之家，译审：HH Lang）

关注科学之家kexuehome 收取新鲜科学资讯。

收藏

评论