當(dāng)今的粒子加速器可能長(zhǎng)達(dá)幾英哩，而用于癌癥治療的粒子加速器甚至重達(dá)50噸。如今，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Lab;BNL)的一支研究團(tuán)隊(duì)成功地建造并測(cè)試了一款輕量的桌上型加速器原型;它采用3D列印的機(jī)架來支撐低成本的固定磁體塊，并透過新穎的軟體微調(diào)磁場(chǎng)，讓具有不同能量的多個(gè)電子束可經(jīng)由單一束流管進(jìn)行傳輸。

 

布魯克海文國(guó)家實(shí)室加速器測(cè)試設(shè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(gè)電子束導(dǎo)向圍繞著弧形的原型(如下圖)，從而證實(shí)了這個(gè)概念。這些電子束各自經(jīng)由不同的路徑流過直徑2英吋的束流管，并從加速器中分離出來，準(zhǔn)備應(yīng)用于物理研究與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的資深物理學(xué)家Dejan Trbojevic擁有多項(xiàng)用于治療癌癥的粒子治療旋轉(zhuǎn)機(jī)座設(shè)計(jì)專利，他表示新的加速器能夠降低這種旋轉(zhuǎn)機(jī)座的重量，使其從50噸大幅減輕至僅1噸重。

 

在該5英呎長(zhǎng)的原型上，先以3D列印機(jī)座環(huán)繞在電子流經(jīng)的2英吋內(nèi)管周圍。第二個(gè)3D列印的圓形架則則圍繞在內(nèi)部機(jī)座外。一系列的鐵桿精確地滑入外部機(jī)架的插槽中，以偏轉(zhuǎn)單獨(dú)的機(jī)架。在每個(gè)圓形架內(nèi)，巧妙成型的永久磁鐵因所在位置不同而使其強(qiáng)度隨之變化。該計(jì)劃的首席架構(gòu)師Stephen Brooks所編寫的軟體可微調(diào)該加速器偏轉(zhuǎn)的機(jī)架。傳統(tǒng)加速器在進(jìn)行微調(diào)時(shí)，通常是經(jīng)由精確控制電磁而實(shí)現(xiàn)的，但Brooks則以更低的成本，藉由固定磁鐵達(dá)到了相同的功能，而無需精確地控制每一機(jī)架，就能讓加速器在原型上更輕松地建模，以實(shí)現(xiàn)操作與建構(gòu)。

 

布魯克海文實(shí)驗(yàn)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，每一種能量采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(gè)回路中連接加速器，可讓電子被加速并漸進(jìn)到更高的能量，而不必使用多個(gè)回路——傳統(tǒng)上使用多回路，每個(gè)回路專用于特定的能量范圍。這種新結(jié)構(gòu)對(duì)于切割腫瘤特別有幫助;回路中的每一連續(xù)能量級(jí)都較以往的能量級(jí)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(shí)驗(yàn)室中擁有新一代的繆子對(duì)撞機(jī)、微中子產(chǎn)生器和電子-離子對(duì)撞機(jī)(EIC)等儀器，使其免于預(yù)約使用大型磁控式對(duì)撞機(jī)的需要，進(jìn)一步促進(jìn)物理學(xué)研究進(jìn)展。 Brooks目前正于與康乃爾大學(xué)(Cornell University)的物理學(xué)家合作，致力于打造稱為Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator (CBETA)的永磁架構(gòu)。該CBETA永磁架構(gòu)將有助于提高加速器的能量至EIC所需的電子伏特級(jí)。紐約州能源研究與發(fā)展局(New York State Energy Research and Development Authority)贊助了這項(xiàng)計(jì)劃。

 

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ATF的物理學(xué)家Christina Swinson經(jīng)由ATF直線與弧形磁組進(jìn)行控制，該裝置在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中發(fā)揮重要作用。 (來源：Brookhaven National Laboratory)

 

研究團(tuán)隊(duì)先前的研究在于嘗試縮小采用電磁的加速器，后來打造出一款尺寸約室內(nèi)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(shè)計(jì)更低3.5倍。

 

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)撞機(jī)-加速器部門工程師George Mahler和Steven Trabocchi也協(xié)助Brooks組裝了這款新的加速器。電磁技術(shù)人員John Cintorino利用精確的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量，協(xié)助Brooks和工程師將64個(gè)鐵桿插入加速器機(jī)架中。不過，Brooks目前也在研究一款能處理精確測(cè)量和放置鐵桿等繁瑣任務(wù)的機(jī)器人。物理學(xué)家Christina Swinson則經(jīng)由Brooks設(shè)計(jì)的ATF直線加速器協(xié)助控制電子束。