新纳米管设计可使粒子加速器比头发丝更薄

这一新型加速器概念有望让高端X射线技术走进每个实验室。

最新研究表明，目前仅能在体育场大小的巨型设施中产生的高强度相干X射线，未来或可通过桌面设备实现。研究证实，碳纳米管与激光结合可在微芯片上复现同步加速器的工作原理。

同步加速器技术微型化

同步加速器光源是用于通过高能X射线研究材料、药物分子及生物组织的巨型环形加速器，即便最小规模的现役设施也需足球场大小的场地。而新研究指出，相同的物理原理可在仅数微米宽（细于人类发丝）的结构中实现。

卡尔斯滕·P·韦尔什教授对此解释道，该技术的核心在于表面等离子体激元 —— 即激光在材料表面形成的波动。模拟实验中，圆偏振激光脉冲在微细空管内以螺旋方式前进，形成的涡旋场会捕获并加速管内电子，使其保持同步螺旋运动。由于电子步调一致，其辐射具有相干性，可将发射的X射线强度提升高达两个数量级。

研究团队成功演示了同步加速器的微观版本，其中碳纳米管起到关键作用。这种由碳原子按六边形排列构成的圆柱结构，可承受比传统加速器强数百倍的电场。当它们垂直生长形成定向排列的“纳米管森林”时，便成为激光螺旋前进的理想通道。课题组指出，纳米管的几何形态与圆偏振激光天然契合，形成实现该机制所需的“锁钥结构”。

物理科学学院副研究员雷必峰领导的模拟计算显示，该结构可产生每米数太伏特（teravolts）的电场，远超现有加速技术的极限。韦尔奇强调，该系统的关键要素 —— 精密加工的纳米管结构与高功率圆偏振激光器，已是先进研究环境的标配设备，使得实验验证成为可行的下一步。

高端X射线技术普惠化

目前科学家需申请使用国家同步辐射装置或自由电子激光器，经过激烈竞争才能获得短暂的高强度X射线束流使用机会。若实现同等输出的桌面设备，医院、高校和工业实验室将能自主产生高质量辐射源。

在医疗领域，该技术可带来更清晰的乳腺影像及无需造影剂的软组织成像新方法；在药物研发中，科学家能自主分析蛋白质结构，无需耗时数月等待外部设备机时；材料科学与半导体工程师则可在实验台上通过微型设备对精密元件进行无损检测。韦尔什教授表示，这将弥合大型科学基础设施与日常科研需求之间的鸿沟。

本项研究于本月在利物浦举行的2025年纳米加速器物理研讨会（NanoAc）上发布，目前尚处于模拟阶段，但实验验证已具备实施条件。

加速器科学的双轨未来

研究人员强调，超紧凑粒子加速器不会取代周长数英里的大型强子对撞机等巨型设备，后者在探索能量与发现前沿领域仍不可或缺。未来将形成两者并存格局：大型设施持续推动基础物理研究，小型系统则使强大分析工具实现普惠化。

能产生同步加速器级X射线的便携设备不仅是概念创新，更将彻底改变高端科研设备的获取方式。该研究已发表于《物理评论快报》。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！