房间大小的粒子加速器实现商业化应用

粒子加速器通常是巨大的结构——比如位于加利福尼亚州斯坦福的SLAC国家加速器实验室长达3.2公里。但科学家们一直在努力通过使用激光来执行加速过程，从而缩小这些加速器的体积。这些粒子加速器将只有一个房间大小，成本也会大大降低。现在，一家初创公司表示，其激光驱动加速器作为此类设备的首个商业版本，已成功加速了电子束。这些设备首先可用于卫星和航天器电子设备的辐射测试。

这种新设备背后的概念最初在1979年被详细阐述。一个极其强大的超短激光脉冲击中气体，产生等离子体。等离子体在激光的尾流中振荡，电子被拖拽在等离子体的路径中，将它们加速到相对论速度。

这些"尾流场加速器"可以产生比传统粒子对撞机高达1000倍的加速场。科学家们长期以来一直认为，尾流场加速器可以将公里级的设施缩小到房间大小或更小。

"民主化是我们的核心理念，"位于德克萨斯州奥斯汀的TAU Systems公司创始人兼首席执行官比约恩·曼努埃尔·海格利希说。"我们希望将这些令人难以置信的工具交到最优秀、最聪明的人手中，让他们发挥魔力。"

TAU现在已经成功使用其商业激光驱动尾流场加速器产生了电子束。"激光驱动加速器在学术实验室中已经存在了20多年，"海格利希说。"最令人兴奋的是，直到现在，它们还没有作为工业工具提供。这个结果是改变这种范式并使紧凑型加速器对学术界以外的世界有用的重要一步。"

新加速器使用法国泰雷兹集团提供的激光器，TAU指出该激光器显示出卓越的稳定性。"这里的目标是专注于可靠性和可重复性，而不是创纪录的性能，"海格利希说。

为客户提供的第一批设备将适合单个房间。"对于未来，我们的目标是将激光器缩小到大型机柜大小，"海格利希说。

TAU的第一台商业加速器将部署在该初创公司位于加利福尼亚州卡尔斯巴德的设施中，该设施将作为客户熟悉该技术的展示厅。TAU计划从2026年开始向商业和政府客户提供其加速器的使用。

"这个第一个商业系统将在6000万到1亿电子伏特的范围内以100赫兹运行，并有能力在未来升级到更高的能量，"海格利希说。"我们还没有急于达到最高能量，因为在100到1000兆电子伏特范围内有很多容易实现的目标，而传统加速器在这个范围内太大而无法实际使用。"相比之下，SLAC的线性加速器可以达到高达500亿电子伏特的电子能量。

在6000万到1亿兆电子伏特的能量下，这需要约200毫焦耳脉冲能量的激光系统，该加速器将用于太空电子设备的辐射测试。"对于这项技术可以立即帮助解决的最苛刻类型的测试，存在5到10倍的供需缺口，"海格利希说。"我们相信太空产业将在世界经济中发挥越来越重要的作用，解决这个辐射测试问题将显著加速该行业的增长潜力。"

之后，TAU计划将激光能量增加到约1焦耳，将电子束能量提升到100到300兆电子伏特范围，海格利希说。这将允许对更厚的设备进行辐射测试，以及实现高精度、高通量的医学成像和"以质子治疗成本的一小部分提供与最佳质子治疗竞争的放射治疗"。

100到300兆电子伏特范围还将实现先进3D微芯片的成像。"先进芯片是人工智能的硬件基础，"海格利希说。"人工智能已经变得对世界经济极其重要，没有迹象表明这种趋势会很快趋于平缓。我们希望加速设计和制造周期，帮助行业跟上其雄心壮志。"

目前用于此类成像的最先进工具"目前需要数小时进行高分辨率故障分析以指导制造过程，而我们的下一代光源将足够明亮，可以在几分钟或更短时间内进行必要的测量，"海格利希说。

下一代多焦耳激光器可以帮助产生300到1000兆电子伏特范围内的电子束能量。这可以驱动X射线自由电子激光器，"这是迄今为止设计的最亮的地面X射线源，"海格利希说。这些可以用于下一代X射线光刻技术，"将摩尔定律推向其基本极限。最近围绕这个话题有很多讨论，每个提出的解决方案都需要粒子加速器来实现。我们的加速器足够小，可以使这些提案在经济上可行，而无需重新发明现代芯片制造厂。"

如此强大的加速器也可以用于基础科学。"近100年来，校园大小的加速器和光源一直被用作一些最前沿科学研究和工程的工具，揭示了对能量和物质、化学、生物学和材料科学基本性质的新见解，"海格利希说。"问题是由于它们的大小和成本，这样的设备太少了。我们的技术将校园大小的加速器和光源缩小到房间大小或更小。想象一下，当这些工具变得无处不在时，我们将学到多少东西。"

新加速器的成本为1000万美元及以上，具体取决于应用和功能集。"制造成本的很大一部分在于为加速器提供动力的超高强度激光器，"海格利希说。"这些激光器仍然是处于起步阶段的科学系统，因此随着它们的成熟，在降低成本和占地面积方面存在重大机会。"

Q&A

Q1：什么是尾流场加速器？它有什么优势？

A：尾流场加速器是一种使用激光驱动的新型粒子加速器。超短激光脉冲击中气体产生等离子体，等离子体振荡拖拽电子加速到相对论速度。它可以产生比传统粒子对撞机高达1000倍的加速场，能将公里级设施缩小到房间大小。

Q2：TAU Systems的商业激光加速器主要用途是什么？

A：TAU的首个商业加速器主要用于太空电子设备的辐射测试，能在6000万到1亿电子伏特范围运行。未来还将用于医学成像、放射治疗、先进3D微芯片成像等领域，帮助解决目前供需缺口达5到10倍的测试需求。

Q3：这种小型化粒子加速器的成本如何？

A：新加速器成本为1000万美元及以上，具体取决于应用和功能。制造成本主要来自超高强度激光器，目前这些激光器仍是处于起步阶段的科学系统，随着技术成熟，成本和占地面积都有望大幅降低。