科学家开发袖珍型粒子加速器，投射超过光速99.99%超短电子束的激光

科学家已经成功开发了一种袖珍型粒子加速器，能够以超过光速99.99%的速度投射超短电子束的激光。为了达到这个结果，研究人员不得不使用特殊设计的金属结构，并排以比人的头发还要薄的石英层，以减慢光线的速度以适应电子的速度。

这种巨大的飞跃同时提供了在少于10飞秒（0.000 000 000 000 01秒，或者花费很短的时间行进1/100毫米）的时间范围内测量和操纵粒子束的能力。这将使他们能够创建原子运动的频闪照片。

这次成功的演示为开发高能，高电荷，高质量太赫兹（THz）驱动的加速器铺平了道路，该加速器有望更便宜，更紧凑。减小加速器技术的尺寸和成本，将使这些令人难以置信的机器向更广泛的应用领域开放。

粒子加速器广泛应用于粒子物理学的基础研究，材料表征，医院的放射疗法中，用于治疗癌症患者，用于医学成像的放射性同位素生产以及货物安全检查。但是，支持这些机器的基本技术（射频振荡器）是在第二次世界大战期间为雷达开发的。

在今天发表在《自然光子学》上的一项新研究中，一个由学者组成的合作团队表明，他们独特的解决方案是使用激光产生太赫兹频率的光脉冲。太赫兹是介于红外（用于电视遥控器）和微波（用于微波炉）之间的电磁频谱区域。激光产生的太赫兹辐射存在于理想的毫米级波长范围内，使结构的制造更为简单，但最重要的是提供了半周期长度，该周期长度非常适合于加速带有高电荷水平的整个电子束。

曼彻斯特大学的论文的主要作者Morgan Hibberd博士说：“主要挑战是使加速的太赫兹场的速度与几乎光速的电子束速度相匹配，同时还要防止固有的较低的电子束速度。太赫兹脉冲包络线从我们的加速结构中传播，大大降低了驱动场和电子相互作用的长度。”

“我们通过开发独特的太赫兹源克服了这个问题，该源产生的长脉冲仅包含一个窄范围的频率，从而显着增强了相互作用。我们的下一个里程碑是在保持光束质量的同时展示更高的能量增益。我们希望这将通过以下方式实现已进行改进以提高我们的太赫兹源能量，”。

兰卡斯特大学的史蒂芬·贾米森教授（Steven Jamison）是该计划的联合负责人，他解释说：“用太赫兹频率的类激光脉冲对相对论光束进行受控加速，是开发新的粒子加速器方法的里程碑。在使用电磁频率高一百倍的情况下与传统的粒子加速器相比，飞秒时间尺度上的粒子束控制有了革命性的进步。”

“通过对以光速99.99%传播的粒子进行太赫兹加速度的演示，我们已经确认了将太赫兹加速度缩放为高度相对论能量的途径。”

尽管研究人员注视着他们的概念在用多米长的设备代替多公里规模的研究加速器（例如欧洲3公里长的汉堡X射线源）方面的长期作用，但他们希望立即产生影响属于放射治疗和材料表征领域。

曼彻斯特大学物理高级讲师Darren Graham博士说：“没有Cockcroft研究所提供的独特的协作环境，实现这一里程碑是不可能的。Cockcroft研究院帮助汇集了来自兰开斯特大学的科学家和工程师，曼彻斯特大学和STFC的Daresbury实验室工作人员。”