粒子加速器的创新，意味着基于这项技术的肿瘤治疗仪也能够实现技术突破。
文 | 光谱
今天咱们来聊聊一个高科技的玩意儿：粒子加速器。
这是一种物理上的设备。根据维基百科，粒子加速器的原理是利用电场来推动带电粒子，使其获得非常高的能量。
听起来挺高端的，理解起来其实很简单。它也不是什么天上的东西，我们的实际生活中很常见，比如以前电视里面的显像管 (CRT)，其实就是一种粒子加速器……
欠发达地区的朋友可能还在用显像管屏幕
当然，我们今天还是想讨论一下比较高级一点的粒子加速器，也就是在高能物理领域做实验的那种。
如果你的物理课学得好，可能会有印象：世界上用于高能物理研究的粒子加速器，往往都是极其庞大的工程。
比如有环形的。下面是欧洲原子能机构在日内瓦修建的大型强子对撞机 LHC，为了躲避干扰建在50-175米深的地下，投射到地面的占地面积达到了57平方公里。里面是一般人一天才能走完的管道，长达26.7公里：
也有直线型的粒子加速器，这种尺寸现在可以做到小得多。比如下图中的医用电子直线加速器，属于放疗设备，可以治疗癌症等：
当人们想到粒子加速器，总是会想到这种超大型的设施。最根本还是因为，想要对宇宙原理进行探索和研究，至少截至目前，粒子必须要经过长度/回路达到几十英里的加速器才能达到效果。
刚才介绍的 CERN 大型强子对撞机，造价接近50亿美元，光每年的运作费用都超过10亿美元。科学家估计，用这台对撞机找到著名的“上帝粒子”希格斯玻色子，一共花掉了130亿美元……
这在粒子研究领域制造了一个挺大的科研门槛：造一台粒子加速器，以及使用它，成本实在太高了。
好消息是：就在最近，科学家在粒子加速器的小型化和降低成本方面取得了巨大的进展。
本周一，来自德国达姆施塔特大学的科学家发表了一篇重磅论文，描述了一种新的激光粒子加速器设计。
首先，这种新设计很小，小到可以在硅晶片上生产；同时，它的生产成本较低，并且（因为很小）可以应用到更多领域。
也正因为可以生产到芯片上，这款高科技也有一个很贴切的名字：
片上粒子加速器
Accelerator on a Chip
看起来比绿豆还小，跟米粒儿差不多大了……
那么，片上粒子加速器为什么能够做到这么小？它的原理和前辈们有什么不同？
首先说材质。像大型强子对撞机那种巨型机器，建造时使用了大量的金属。而片上粒子加速器使用的是更加轻盈小巧的玻璃晶片。
然后是加速的能量来源区别。
想要理解粒子加速器怎么加速，我们首先得去厨房看看。
咱们大家应该都用过微波炉，它的原理是用微波进行照射，让食物里面的粒子加速运动从而变热/变熟。这也是为什么用微波炉热饭很有意思：它总是里面先热，外边反而经常是凉的……
实际上，“古典”的粒子加速器跟微波炉是同样的原理，都是用微波对粒子进行加速。
而片上粒子加速器呢，采用了激光作为能源。它是一块玻璃晶片，内部具备大量的真空通道，使粒子可以通过。通道的宽度达到纳米级别。
如果用激光照射芯片，会因为激光的热效应，在其内部通道里形成感应电流，进而形成一个稳定的振荡电场：
而芯片上面的通道，会对电场产生强化效果，当电子穿过这些通道时，速度会被显著提升。
而如果把大量的芯片拼接起来，最终的长度仍然很小，得到的粒子能量却可以达到甚至超过古典粒子加速器的水平！科学家保守估计，相同的粒子能量，芯片设计的长度比古典粒子加速器短10倍。
这个项目背后的资金是戈登和贝蒂·摩尔基金会提供的。科技圈的朋友可能知道戈登·摩尔正是英特尔的创始人之一，“摩尔定律”的提出者。
在2015年，摩尔基金会捐赠了1350万美元用于片上粒子加速器的研究，这笔资金促成了“国际片上粒子加速器”项目 (Accelerator on a Chip International Program, 简称 AChIP) 的成立。
AChIP 项目由斯坦福大学主导，汇集全球各大知名院校的精英。本次达姆施塔特大学的项目，负责人是乌维·尼德迈尔教授，正在斯坦福担任访问学者。
这个 AChIP 项目的终极目标有两个：把单个电子加速到具备一兆电子伏 (1 mega-electron volt) 能量 ——电子伏 eV 是能量单位，一个粗糙的理解是，和一百万枚电池同时放电的能量差不多。
第二个目标是制造出超短间隔的电子脉冲。有多短呢？差不多一千万亿分之一秒吧……
我们刚才介绍了这种片上粒子加速器的核心，实际上他还需要其他配套的装置（比如激光发生源等）才能正常工作。目前，尼德迈尔正在和斯坦福以及其他 AChIP 项目的科学家一起工作，他们将要采用这种设计，开发一个试验性质的，只有鞋盒大小的粒子加速器。
听上去挺容易，其实还是蛮有挑战的。主要在于，能否把芯片上的真空通道的宽度压下去，并且量产出来……
如果他们成功的话，对于医疗行业，以及高能物理研究领域的学者来说，简直是天大的好消息！
在医疗方面，前面我们提到，现在有一些肿瘤治疗仪，理论上就是直线粒子加速器，只是功率相对小得多。如果科学家真的造出更小、更强大的粒子加速器，意味着这种肿瘤治疗仪也能够实现技术突破。
更重要的在于，患者根治肿瘤的机会更大了，治疗费用可能也会降低。
至于高能物理科研……还用多说吗！
以后背包里直接装一个粒子加速器，走到哪儿都能做实验！
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