當今的粒子加速器可能長達幾英哩,而用於癌症治療的粒子加速器甚至重達50噸。如今,美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Lab;BNL)的一支研究團隊成功地建造並測試了一款輕量的桌上型加速器原型;它採用3D列印的機架來支撐低成本的固定磁體塊,並透過新穎的軟體微調磁場,讓具有不同能量的多個電子束可經由單一束流管進行傳輸。

20170822_Accelerator_NT01P1 布魯克海文國家實室加速器測試設施(ATF)的加速器工程師群:Mark Palmer、Dejan Trbojevic、Stephen Brooks、George Mahler、Steven Trabocchi、Thomas Roser和Mikhail Fedurin。 (來源:Brookhaven National Lab)

布魯克海文國家實驗室的研究人員將具有1,800萬電子伏特(eV)到70-MeV能量的多個電子束導向圍繞著弧形的原型(如下圖),從而證實了這個概念。這些電子束各自經由不同的路徑流過直徑2英吋的束流管,並從加速器中分離出來,準備應用於物理研究與醫學領域。布魯克海文國家實驗室的資深物理學家Dejan Trbojevic擁有多項用於治療癌症的粒子治療旋轉機座設計專利,他表示新的加速器能夠降低這種旋轉機座的重量,使其從50噸大幅減輕至僅1噸重。

在該5英呎長的原型上,先以3D列印機座環繞在電子流經的2英吋內管周圍。第二個3D列印的圓形架則則圍繞在內部機座外。一系列的鐵桿精確地滑入外部機架的插槽中,以偏轉單獨的機架。在每個圓形架內,巧妙成型的永久磁鐵因所在位置不同而使其強度隨之變化。該計劃的首席架構師Stephen Brooks所編寫的軟體可微調該加速器偏轉的機架。傳統加速器在進行微調時,通常是經由精確控制電磁而實現的,但Brooks則以更低的成本,藉由固定磁鐵達到了相同的功能,而無需精確地控制每一機架,就能讓加速器在原型上更輕鬆地建模,以實現操作與建構。

20170822_Accelerator_NT01P2 布魯克海文實驗室的概念顯示,分別具有五種不同能量的電子束成功穿過永久磁鐵的弧線,每一種能量採取不同顏色編碼的路徑:深綠色(1,800萬eV)、淺綠色(24MeV)、黃色(36MeV)、紅色(54MeV)和紫色(70MeV) (來源:Brookhaven National Lab)

在單個迴路中連接加速器,可讓電子被加速並漸進到更高的能量,而不必使用多個迴路——傳統上使用多迴路,每個迴路專用於特定的能量範圍。這種新結構對於切割腫瘤特別有幫助;迴路中的每一連續能量級都較以往的能量級更深層地影響腫瘤中的組織,從而帶來由上而下底破壞腫瘤的可能性。

桌上型加速器還能讓研究人員在其實驗室中擁有新一代的繆子對撞機、微中子產生器和電子-離子對撞機(EIC)等儀器,使其免於預約使用大型磁控式對撞機的需要,進一步促進物理學研究進展。Brooks目前正於與康乃爾大學(Cornell University)的物理學家合作,致力於打造稱為Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator (CBETA)的永磁架構。該CBETA永磁架構將有助於提高加速器的能量至EIC所需的電子伏特級。紐約州能源研究與發展局(New York State Energy Research and Development Authority)贊助了這項計劃。

20170822_Accelerator_NT01P3 布魯克海文國家實驗室ATF的物理學家Christina Swinson經由ATF直線與弧形磁組進行控制,該裝置在實驗進行中發揮重要作用。 (來源:Brookhaven National Laboratory)

研究團隊先前的研究在於嘗試縮小採用電磁的加速器,後來打造出一款尺寸約室內大小的加速器,可使最高和最低的電子束能量比例倍增,但仍比新的設計更低3.5倍。

布魯克海文國家實驗室對撞機-加速器部門工程師George Mahler和Steven Trabocchi也協助Brooks組裝了這款新的加速器。電磁技術人員John Cintorino利用精確的磁場強度測量,協助Brooks和工程師將64個鐵桿插入加速器機架中。不過,Brooks目前也在研究一款能處理精確測量和放置鐵桿等繁瑣任務的機器人。物理學家Christina Swinson則經由Brooks設計的ATF直線加速器協助控制電子束。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Small Accelerator, Big Promise,by R. Colin Johnson)