加速器物理的電漿(Plasma)革命

加速器物理的電漿(Plasma)革命
知識通訊評論第61期

加州史丹佛的直線加速器中心，是世界上最長三點二公里的直線加速器。

運用電漿技術的粒子加速器，不但要撼動高能粒子物理研究，也會對質子束治癌帶來全新局面。

對於將次原子粒子加速並撞碎的粒子物理學家來說，建造粒子加速器，除了理論和工程方面的困難之外，價格也是他們關心的。許多粒子物理學家認為，擬議中的國際直線對撞機，也就是造價七十億美元的電子正電子對撞機，十年內可以運作啟用的話，那將會是政府緊縮經費情況中，未來數十年最後的一個大型加速器。

關心加速器價格的人，並不只有那些希望機器越大，而能以更大規模能量進行探測的物理學家。一些腫瘤學家也認為，對於某些腫瘤，質子束比傳統X光的療效更好。但他們說，加速器的大小和價格，限制了進行臨床療效研究的病患數量。

輻射物理學主任馬說，「如果能縮小加速器的大小，就可以把質子束治療費用減到很低。」

賓州費城獵狐癌症中心的輻射物理學主任馬(Charlie Ma)說，「如果能縮小加速器的大小，就可以把質子束治療費用減到很低。」以傳統的迴旋加速器或是同步加速器來建造一個質子束治療中心，價格約在一億美元至兩億美元之間。這也就是為什麼這類設備如此少的道理。

如果近年來加速器的研究進展速率能繼續發展下去，經費問題可望得到紓解。好幾個團隊正在研究加速粒子的新方法，也就是一般所知的激發場加速(wakefield acceleration)，這不僅將物理學家推向新的能量領域，也提供了一般負擔得起的桌上加速器，給癌症治療開創新局。

這種技術是把一束雷射或一束粒子穿過電漿。粒子束散射電子，造成四散的粒子和離子電漿電荷的不均勻分布。為了恢復均勻分布，電子被拉向聚集在粒子束脈波尾端正離子電漿。可是電子衝過了頭，越過了原先所在的位置，造成一種像激發的擾動，物理上稱之為激發場振盪。在這個激發範圍內是離子電漿口袋，因為是球形，物理學家稱之為氣泡。

破碎波的激發會引起擾動，在等離子體裡產生的激發也不例外。可是如同衝浪者和駕舟者所知的，如果衝撞波浪位置得當，就能被浪頭加速。因此有些電子能夠衝上電漿激發場的浪頭，另外的粒子像是質子也可以，質子因而注入粒子束中，而提升至很高的能量。

如果是用粒子束來創造激發，通常只稱之為「電漿激發場加速」，而擾動是由粒子束和電漿電子之間的電磁排斥力所造成。至於雷射激發場加速，是雷射光束的輻射壓造成了激發。

過去三年當中，激發場加速造成了這個領域的興奮狀態。去年在英國威靈頓開始運作的一個聯合加速器研究中心，科考夫特研究所主任恰托帕迪艾(Swapan Chattopadhyay)表示，今年在加州史丹佛直線加速器中心進行的激發場實驗，已經開啟加速器物理學的新頁。

他們利用加州史丹佛直線加速器中心，世界上最長三點二公里的直線加速器一條四百公尺延伸，研究人員已成功在短短八十五公分距離中，使電子束能量加倍。在建立電漿激發場當中，大多數電子束失掉能量，但有少數(只有萬分之二)電子從四百二十億電子伏特，加速到大約八百五十億電子伏特。傳統技術要獲取這樣的能量，必須將電子加速三公里左右。恰托帕迪艾說：「史丹佛直線加速器中心無需將加速器尺寸加倍，只是將電子束穿過電漿噴流，就能造成能量倍增的技術，確實令人刮目相看。」

理論上來說，電漿激發場加速器能夠達到的能量沒有上限。傳統的加速器是靠一個電場加速粒子，電的升降率越陡，加速越大。可是只有當電場周圍如銅或某種超導的??空腔物質??電子從原子脫離而崩解之前，電場才會增強。雖然整體而言，已經崩解成原子和電子的電漿是電中性的，因此能支持強得多的電場。

史丹佛直線加速器中心的實驗在許多方面都是個突破。它顯示這種技術能在較大的距離運作，幾乎達到一公尺，而非先前雷射技術的幾公分。然而，電子加速能達的能量，以及可以持續加速的距離，並不是加速器僅有的重要特性，加速粒子數目和能量密度也是關鍵。

二○○四年，有三個團隊使用雷射來加速電子，因而獲致相同的能量及合理的能量密度，其每個射束中的電子超過十億個。這個重新引起對激發場加速興趣的實驗，最早是田島俊樹(Toshiki Tajima)和道森(John Dawson) 兩位物理學家二十五年前在加州大學洛杉磯分校提出。

可是要做史丹佛直線加速器中心的粒子碰撞實驗，粒子束需要達到十的三十四次方個粒子的能量密度。史丹佛直線加速器中心所做的小型電子加速，離碰撞實驗能量還差得很遠。

馬爾卡與歐爾福克合作，執行精密的模擬實驗，比較質子治療和X光治療，在腫瘤標靶治療方面的優劣。

去年下半年，研究人員將激發場加速往前推進一步。二○○四年的實驗加速電子超過一億電子伏特的範圍，可是加州勞倫斯柏克萊國家實驗室的研究人員，以及英國牛津大學虎克(Simon Hooker)領導的團隊，合作將電子能量提高到超過十億電子伏特。

這還不是高能物理的能量範圍，高能物理能量範圍在兆電子伏特以及更高的範圍，但是這個實驗依然是值得肯定的成就。

也是在去年，馬爾卡(Victor Malka)和他的團隊在位於巴黎郊外巴雷梭的高等工藝大學，研發出一種技術，使用第二道相對的雷射光束，來造成能夠使能量在飛行中改變的電子束，。

馬爾卡對於他團隊所作研究，心中所想的商業用途是治療癌症。從二○○四年起，他與海德堡的德國癌症研究中心的腫瘤學家歐爾福克(Uwe Oelfke)領導的團隊合作，執行精密的模擬實驗，比較質子治療和X光治療，在腫瘤標靶治療方面的優劣。這個團隊希望在五年內將研究技術施用於病患身上。

如果激發場的研究人員，在未來幾年內有了如其所願的進展，那麼桌上加速器就比現今的加速器更加強而有力。許多實驗目前因為必須使用龐大而昂貴的設備，相對而言就比較少，在運用輕巧便宜的技術之後，這些實驗就可以在大學地下室實施了。

即使在高能量的範圍，下一代的大型加速器也可能運用電漿。史丹佛直線加速器中心的團隊已經在想辦法，如何能把極多的小電漿加速器結合起來，造成一台可靠的機器。團隊成員之一，加州大學洛杉磯分校的加速器物理學家喬喜(Chandrashekhar Joshi)表示，他希望他的團隊能在十年內，處理所有尚存的關鍵科學問題，並且設計出一台完全建基於電漿的加速器。