世界上最小的同步加速器在日本研制成功
同步加速器产生的光是许多科技领域里极其强大的研究工具同步加速器的光一度被认为是寄生的损耗,而现在该光却成为建造許多同步加速器的理由然而,在同步加速器光中发现的巨大效用却带有明显的缺陷即建造大型同步加速器的费用极为昂贵,加速器庞夶的体积意味着科学家们必须到拥有这种大型设备的地方去排队等候使用X射线来做实验因此利用这种光的渴望受到抑制。
科学家们早在悝论上证明加速器的体积是可以缩小的(刊登在2005年出版的《自然》杂志)日本立命馆大学的Shiga光子生产实验室(Shiga Photon Production
Laboratory)经过15年的努力,成功研淛出一种小型的、可以放入实验室的微型同步加速器光源——MIRRORCLE-6X并已经开始在市场上出售。光子生产实验室准备将MIRRORCLE-6X的性能提高到一个更高嘚水平并将其系列产品推向市场。
MIRRORCLE-6X的储存环直径为60厘米整台机器很容易放入实验室,使用新型的电子注入技术它能产生能量达到几百万电子伏特的X射线。直径在几十米到数百米的大型同步加速器一般也产生出这个数量级的X射线通过几个新颖的创新,MIRRORCLE-6X达到异常性能哃步光的生产效率非常高,而且有效地利用空间MIRRORCLE-6X发射出对许多应用理想的宽带X射线。值得注意的是与常规X射线成像相比它的相衬成像能仂生物软组织随时可以看到,到同时可以将金属、塑料和橡胶部件成像的非破坏性试验
MIRRORCLE-6X的迷人之处在于用与大型加速器相比,较低的費用就可获得同步加速器的光每台MIRRORCLE-6X的销售价格为250万美元,虽然绝大多数实验室短期内仍难以承受但参与了这台机器研制的Hironari Yamada教授说,从半导体制造商到制药公司的许多私人公司都在排队购买这一设备世界上最小的同步加速器前途光明。
光子生产实验室发展简史
1989年 - 提出光孓储存环概念
1989年 - 建造了第一个超导圆形储存环被Hironari Yamada博士(右图)称为士AURORA 。成功的建造鼓舞科学家们继续开展这一领域里的研究
1996年 - Hironari Yamada 博士开發新的微型同步加速器理论,并提出建造专门生产硬X射线的台式同步加速器潜在的商业可能性出现,建议成立光子生产实验室
1997年 - 为将率先发明的MIRRORCLE技术商品化,光子生产实验室(左图)成立
2004年 – 12月,首次在光子储存环中观测到激光这一观测是根据Hironari Yamada 教授和Andrey Kleev博士发展的理論进行的。
2005年 – 第一台MIRRORCLE-20SX装置率先将X射线光刻用于半导体工业
将来 - MIRRORCLE 技术继续发展并重新界定在实验室里可做什么。
MIRRORCLE同步加速器有两个基本蔀件一个古典的电子加速器和一个储存环。电子加速器发射电子并将其加速到设计水平然后将它们注入储存环。 根据MIRRORCLE同步加速器的配置运转电子中的一个靶产生X射线,或者轨道周围的一个桶形反射镜收集远红外同步辐射
MIRRORCLE技术概念简单,从任何意义上来说电子加速器发射和加速电子并非非同寻常。在由脉冲速调管驱动的高频腔内强磁场的影响下一台典型的发射机释放出电子。当电子重复穿过高频腔并被加速时电子加速器的等磁场环境使电子在更大的轨道里运转。一旦电子达到电子加速器的设计水平相当于电子运行的最大轨道,它们进入一个引出道并被注入到储存环Perturbator effect
MIRRORCLE技术储存环采用独特的技术解决小直径储存环的挑战。储存环采用常规磁铁在电子轨道整个周圍形成磁场因此电子轨道是个完整的圆。磁场提供促成理想轨道的聚焦行动
不像通用同步加速器的束流寿命以小时或天衡量,储存环Φ的电子寿命相当短但是,这的确不是一个像通用同步加速器中可应用的参数因为电子加速器在不断向储存环里注入电子。
可能最重偠的是在储存环中采用一种称为扰动器的设备帮助把电子聚集在稳定的圆形轨道里。扰动器暂时更改电子轨道小弧的磁场以便可以接收注入的电子。扰动器设计允许朝理论更改磁场同时不干扰理论轨道中的已有电子扰动器形成轨道,以便引入电子能最后采用稳定圆形軌道
储存环还有一个高频腔为电子提供补偿能量,以便它们在运转时保持设计的能量为了使储存环有效运行,精心使电子加速器的注叺过程、扰动器的运行和高频腔同步最后储存环形成一个在稳定罩中运转电子的盘。 X-ray target scattering
MIRRORCLE通过将微靶精心放入储存环里沿轨道运行电子的轨噵来X射线一些电子影响靶原子,并发射出韧致辐射X射线电子轨道、靶原子的大小和位置最后形成广泛的对撞局面,最后发射出宽带X射線
因为几何学和产生小的二次散射薄靶的原因,这些X射线以完全定义好的锥形束流模式发射出来储存环上的3个X射线出口允许在实验的配置上具有机动性。
MIRRORCLE的X射线质量和亮度极高因为发射点很小。在许多情况下亮度可与安装的大的同步加速器设施如SPRING-8相比。锥形束流X射線还具有高级的空间相干性MIRRORCLE靶的运行与典型的X射线光源如X射线管和直线加速器有很大不同,区别在于微型靶不吸收大量的能量因此没囿加热问题。此外电子在储存环中的再循环导致X射线的高转换效率。MIRRORCLE产品提供不同靶的配置和功率水平
一些MIRRORCLE产品的配置包括光子储存環(PhSR)。这是个极为精密的桶形反射镜在电子轨道周围有个反射内面。
PhSR收集电子轨道整个周围的同步辐射反射镜中的一个孔允许收集箌的辐射逃逸。一个特殊形状的第二个反射镜将辐射从孔引导到其他反射镜后者将辐射引导到储存环上的输出出口。
光子储存环的一个關键特点是将收集到的辐射反射回到沿轨道运行的电子中在某些情况下,这个配置引起激光并使远红外线辐射输出增加几个数量级
MIRRORCLE-6X是卋界上最小的同步加速器,小到可以安装在工业和实验室的环境里但功率又大到足以满足许多对X射线的需要。它利用6
MeV电子与钨微靶对撞通过韧致辐射产生亮的宽带X射线标准尺寸1微米的靶可减少到开展应用所需要的0.1微米,并以新的性能价格比水平使拥有一台这样的同步加速器成为现实。MIRRORCLE-6X是个产品随时可满足客户的需要。(右上图为MIRRORCLE-6X 获得的肺成像)
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