小型加速器可望促進醫學與科學研究

 

当今的粒子加速器可能长达几英哩，而用于癌症治疗的粒子加速器甚至重达50吨。如今，美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Lab;BNL)的一支研究团队成功地建造并测试了一款轻量的桌上型加速器原型;它采用3D列印的机架来支撑低成本的固定磁体块，并透过新颖的软体微调磁场，让具有不同能量的多个电子束可经由单一束流管进行传输。

 

布鲁克海文国家实室加速器测试设施(ATF)的加速器工程师群：Mark Palmer、Dejan Trbojevic、Stephen Brooks、George Mahler、Steven Trabocchi、Thomas Roser和Mikhail Fedurin。 (来源：Brookhaven National Lab)

 

布鲁克海文国家实验室的研究人员将具有1,800万电子伏特(eV)到70-MeV能量的多个电子束导向围绕着弧形的原型(如下图)，从而证实了这个概念。这些电子束各自经由不同的路径流过直径2英吋的束流管，并从加速器中分离出来，准备应用于物理研究与医学领域。布鲁克海文国家实验室的资深物理学家Dejan Trbojevic拥有多项用于治疗癌症的粒子治疗旋转机座设计专利，他表示新的加速器能够降低这种旋转机座的重量，使其从50吨大幅减轻至仅1吨重。

 

在该5英呎长的原型上，先以3D列印机座环绕在电子流经的2英吋内管周围。第二个3D列印的圆形架则则围绕在内部机座外。一系列的铁杆精确地滑入外部机架的插槽中，以偏转单独的机架。在每个圆形架内，巧妙成型的永久磁铁因所在位置不同而使其强度随之变化。该计划的首席架构师Stephen Brooks所编写的软体可微调该加速器偏转的机架。传统加速器在进行微调时，通常是经由精确控制电磁而实现的，但Brooks则以更低的成本，藉由固定磁铁达到了相同的功能，而无需精确地控制每一机架，就能让加速器在原型上更轻松地建模，以实现操作与建构。

 

布鲁克海文实验室的概念显示，分别具有五种不同能量的电子束成功穿过永久磁铁的弧线，每一种能量采取不同颜色编码的路径：深绿色(1,800万eV)、浅绿色(24MeV)、黄色(36MeV)、红色(54MeV)和紫色(70MeV) (来源：Brookhaven National Lab)

 

在单个回路中连接加速器，可让电子被加速并渐进到更高的能量，而不必使用多个回路——传统上使用多回路，每个回路专用于特定的能量范围。这种新结构对于切割肿瘤特别有帮助;回路中的每一连续能量级都较以往的能量级更深层地影响肿瘤中的组织，从而带来由上而下底破坏肿瘤的可能性。

 

桌上型加速器还能让研究人员在其实验室中拥有新一代的缪子对撞机、微中子产生器和电子-离子对撞机(EIC)等仪器，使其免于预约使用大型磁控式对撞机的需要，进一步促进物理学研究进展。 Brooks目前正于与康乃尔大学(Cornell University)的物理学家合作，致力于打造称为Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator (CBETA)的永磁架构。该CBETA永磁架构将有助于提高加速器的能量至EIC所需的电子伏特级。纽约州能源研究与发展局(New York State Energy Research and Development Authority)赞助了这项计划。

 

布鲁克海文国家实验室ATF的物理学家Christina Swinson经由ATF直线与弧形磁组进行控制，该装置在实验进行中发挥重要作用。 (来源：Brookhaven National Laboratory)

 

研究团队先前的研究在于尝试缩小采用电磁的加速器，后来打造出一款尺寸约室内大小的加速器，可使最高和最低的电子束能量比例倍增，但仍比新的设计更低3.5倍。

 

布鲁克海文国家实验室对撞机-加速器部门工程师George Mahler和Steven Trabocchi也协助Brooks组装了这款新的加速器。电磁技术人员John Cintorino利用精确的磁场强度测量，协助Brooks和工程师将64个铁杆插入加速器机架中。不过，Brooks目前也在研究一款能处理精确测量和放置铁杆等繁琐任务的机器人。物理学家Christina Swinson则经由Brooks设计的ATF直线加速器协助控制电子束。