将氦显微镜引入实验室-迎接光和检测技术的关键挑战

利物浦团队开发先进的量子技术显微镜用于无损检测

作为将量子技术商业化的国家战略的一部分，利物浦大学考克罗夫特研究所的QUASAR小组的研究人员，以及英国衍生公司D-Beam，正在被资助开发一种用于无损检测的先进显微镜。
利物浦大学物理系系主任、科克罗夫特研究所高级学者Carsten Welsch教授向国际实验室伙伴透露了更多关于量子气体喷射氦原子显微镜(qHAM)项目的挑战和目标，该项目建立在该团队在束诊断方面的突破性工作的基础上。

《工业战略》强调量子技术对英国具有重要战略意义。该领域的技术资金来自Innovate UK，该机构将在一系列项目上投资高达100万英镑，这些项目是量子技术商业化计划的一部分。基于量子气体喷射的氦原子显微镜(qHAM)是基于两种量子现象:波-物质二象性和物质波干涉，因此推动了这些领域的知识前沿。
现在还有第二个项目，量子喷射(quantum jet)，由STFC通过创新伙伴计划(后续资金)资助11万英镑，该项目也使用量子喷射技术，但要开发一种新型的光束监测器，用于在线性对撞机中发现的非常小的截面光束。从某种意义上说，这个项目与qHAM相关，两者都将允许我们使用量子效应来研究高度聚焦的光束。
扫描氦显微镜(SHeM)比使用x射线或带电电子有很多好处，后者会破坏织物、生物样品和有机薄膜，并且在使用磁场时存在困难。中性氦束提供了一种化学、电和磁惰性表面探针，不向样品输送电荷。这就创造了在不破坏脆弱结构的情况下成像的机会。
SHeM采用氦气，将其泵入高压，并使其通过一个小孔膨胀到真空中。氦原子从样品中散射回来，提供了比光学显微镜更高的分辨率，散射路径的范围在图像中形成对比。

这种氦显微镜和其他氦显微镜的主要区别是什么?它将提供什么样的好处?

还有其他的扫描氦显微镜，但这些都受到了简单原子光学和现有探测器技术的限制。既没有足够能量的聚焦光束，也没有能够捕捉图像对比度背后的散射机制的探测器。一个关键的挑战是最大化成像光束的强度以克服噪声，同时最小化其宽度，从而提供分辨率。这是通过在真空中产生气体的超音速膨胀来实现的，这种膨胀将氦原子加速到高速。
使用量子技术将使我们能够提高探测器的对比度和灵敏度，从而提高分辨率。一个核心要素将是在原子筛后产生强烈聚焦的气体射流——这将为毫米分辨率铺平道路。
显微镜一般分为两类——一类是用光束照射样品，另一类是用探测波扫描样品表面。通过扫描获得的分辨率有许多物理限制，这取决于用于光束的粒子的性质。为了克服衍射极限，探头需要更小的波长。由于物质波的波长比可见光短得多，它们可以用来研究1μm级甚至1μm以下的特征。
德布罗意波长是由动能和粒子质量决定的，但增加能量会破坏一个精致的样品，所以电子束就不适合。它们的电荷也会使分析具有导电性的样品具有挑战性。
氦原子提供了更大的质量和类似于热能的能级，使探针长度缩小到具有更低能量的原子水平，并在不穿透样品的情况下提供表面散射。
其中一个挑战来自于找到一种有效的方法来聚焦物质束和检测散射模式。qHAM旨在解决这一挑战。

你能否更详细地描述一下你在大型强子对撞机高亮度升级的超音速气体喷射束监测技术方面的工作——以及这种方法如何有效地扩展，以适应研究人员和工业用户可以使用的显微镜仪器?

大型强子对撞机目前正在升级，以将其光度(对撞率)提高10倍，以增加它能够产生的稀有粒子的数量。为高亮度(HL-LHC)升级提供2600万英镑的资金，用于一系列旨在开发实现这一雄心所需技术的项目。这包括用于改进束流控制的超导磁体，用于束流旋转的新型腔体，以及用于监测和控制束流的改进诊断。其中许多是由英国大学交付的，将需要从工业界委托的高科技组件。
HL-LHC项目之一是由利物浦大学量子系统和加速器研究组(QUASAR)的研究人员领导的。随着亮度的增加，光束变得过于强大，目前使用的光束仪器将不再工作。这需要全新的方法来完全描述光束的特征。QUASAR集团正在开发一种超音速气体喷射束轮廓仪，以应对这一挑战。
气体喷射分析器产生了一层电中性粒子的薄屏。然后，这种射流穿过HL-LHC的主光束，导致射流中的粒子激发和光的发射。这种光可以被检测到，并用于光束的二维成像。
非截击性气体喷射束轮廓仪具有灵活性和可扩展性，可以在一系列加速器中使用，并且不局限于HL-LHC等高能存储环。它可以在短短几秒钟内测量任何带电粒子束的详细属性。
在此过程中开发的设备将克服现有技术的局限性。
目前的束流监测技术依赖于对束流产生的电磁场的感知。低强度光束由于诊断拾音器的微弱信号而带来了相当大的挑战，而与此同时，粒子加速器中的环境通常会产生高水平的电磁干扰，这进一步使精确测量复杂化。
超音速气体喷射束轮廓监测器提供了一系列有趣的可能性。由于相互作用使用激发或电离，这是很好的理解和可用于大多数弹丸类型，它提供了内在的灵活性。然而，为了将这项技术用作显微镜的一部分，所有的尺寸都必须缩小，必须引入一种新的聚焦气体射流的方法，并且需要在设计中包括3D运动系统。这三个都是qHAM和量子喷射项目将解决的重大挑战。
QUASAR小组与我们在欧洲核子研究中心和GSI的合作伙伴合作，已经为大型强子对撞机的高光度升级开发了一种超音速气体喷射束监测技术，我们将在这一知识的基础上开发量子显微镜。

量子显微镜会主要安装在科克罗夫特研究所这样的大型机构吗?或者这项技术最终会针对大型、中型和小型企业用户吗?

科克罗夫特研究所提供最先进的实验室基础设施，最著名的是DITAlab，一个致力于发展尖端光束仪器的实验室。目前，QUASAR小组在实验室中有三种不同的气体喷射装置，这将成为显微镜新研究的基础。
一旦该技术在概念验证研究中得到成功证明，它将发展成为一种可以在任何地方运行的用户工具，包括小型企业。这是一个特别有趣的方面，因为它将最初为世界上最大的对撞机开发的技术发展为更广泛的应用。
在这个项目中，QUASAR集团的基础研究将由D-Beam公司商业化，D-Beam是您共同创立的公司，可以快速跟踪科学突破对工业的好处。

你能告诉我们更多关于D-beam的参与吗，这主要是在探测器开发方面吗?

D-Beam几年前从利物浦大学/科克罗夫特研究所分离出来，此后成为许多英国和欧盟项目的首选合作伙伴，在可用于详细描述粒子束的仪器的设计、制造和优化方面贡献了其独特的经验。
这种专业知识对氦原子显微镜也非常重要——了解气体射流是如何形成的，如何聚焦，然后从样品中反射出来，这些都是监测的艰巨挑战，该公司将帮助确定解决方案。

你是否获得了其他投资和支持来推动公司的发展?除了你，D-Beam的关键人物还有谁?

几年前，我很高兴与Alexandra Alexandrova博士一起创立了D-Beam，她刚刚受益于STFC爱丁堡皇家学会企业奖学金的奇妙培训经历。
该公司在成立后不久就被邀请进入STFC- cern商业孵化中心，并通过欧盟项目获得了学术合作伙伴的资助，如ARIES概念验证资金，受益于STFC影响加速账户支持和STFC创新伙伴计划后续资金。Alexandrova博士离开后，Joseph Wolfenden博士加入公司担任董事，并帮助推广D-Beam的光束诊断解决方案。
该公司已经可以回顾一段非常成功的旅程:其光纤光束损耗监测器(oBLM)被选为2018/2019年度ASTeC技术亮点。与利物浦大学物理系的合作被选为2020年STFC冲击加速账户的成功故事，其对自适应光学的研究被选为今年ARIES的“成功故事”。该公司将为解决基础研究项目中的特定挑战而开发的原型监视器推向更广泛的市场，并具有出色的增长潜力。考虑到粒子束在许多领域都有应用，从机场安检扫描仪到新型癌症疗法，而且所有这些监视器都需要进行非常详细的监控，D-Beam面临着许多有趣的挑战!

新的初创企业或分拆企业能够使用这种技术吗?是否讨论过或可能考虑过使用这种技术开发支持性商业中心或扩展现有创新园区的计划?

将这项新技术的一部分授权给其他中小企业当然是一个可以考虑的选择。目前的研究仍处于较低的技术准备水平，因此，现在就开始考虑将其扩展到创新园区似乎有点为时过早。然而，如果我们设法清楚地展示它的能力，这样的扩展可能很快就会发生。
你认为这项技术对当地经济和整个英国的整体影响是什么?
位于英格兰西北部的科克罗夫特加速器科学与技术研究所作为加速器研究的领先中心享有很高的声誉，这刺激了一批利用研究成果或提供建造和开发加速器所需仪器的医疗和工业组织。
世界上第一个质子癌症治疗中心位于克拉特布里奇，英国目前正在大力投资高能质子束治疗。其中，CI研究人员一直在开发新的监测器，以更好地表征治疗束，这些有可能使世界各地的患者受益。基于气体喷射的监测仪在这一领域也显示出极好的潜力。
量子显微镜将利用利物浦大学在气体射流形成和成形方面的独特专业知识，以及D-Beam在详细监测一些最苛刻的光束方面的技能。结合起来，这为广泛的应用和部门显示了巨大的前景。合成生物学、有机和聚合物电子工业将从该技术中受益。
其目标是创造一种紧凑、低成本的台式显微镜，具有优越的成像质量，这将使关键的概念验证研究成为可能，释放这种令人兴奋的成像新方法的潜力。
考克罗夫特研究所是一个国际卓越的加速器科学和技术中心，总部设在英国达斯伯里实验室。它是兰开斯特大学、利物浦大学、曼彻斯特大学和斯特拉斯克莱德大学与科学技术设施委员会(STFC)的合资企业。
Carsten P Welsch教授(如图)，利物浦大学物理系主任，Cockcroft研究所利物浦加速器物理组主任，设计了一个非常成功的培训网络概念，并领导了几个泛欧洲项目。他的研究主要集中在束诊断和粒子加速器的设计。
利物浦大学物理系的研究人员在基础科学领域引领世界一流的研发项目，特别是在加速器物理、凝聚态物理、核物理和粒子物理方面。他们在半导体传感器、核能和可再生能源等应用领域的工作也享誉国际。
量子系统和先进加速器研究(QUASAR)小组专注于粒子加速器和光源的开发和实验开发。
加速器科学家正在与世界各地的领先机构和实验室合作，包括日内瓦的欧洲核子研究中心、英国的钻石光源和达斯伯里实验室、法国的ESRF和GANIL、德国的GSI和DESY以及加拿大的TRIUMF。
更多在线信息www.cockcroft.ac.uk