Сегодня ускорители частиц являются важными инструментами для исследований, изучающих области, начиная от космологии и заканчивая медициной, включая сопротивление материалов. Однако эти инструменты часто имеют гигантские размеры и поэтому ограничены своими размерами. Недавно исследователям из Стэнфордского университета удалось миниатюризировать ускоритель электронов и интегрировать его в электронный чип. Хотя устройство все еще находится на очень ранней стадии разработки, в будущем оно может помочь более точно исследовать материю, а также бороться с раком.
На холме над Стэнфордским университетом в Национальной ускорительной лаборатории SLAC работает научный прибор длиной почти 3 км. В этом гигантском ускорителе поток электронов проходит через вакуумную трубу, а импульсы микроволнового излучения толкают частицы вперед все быстрее и быстрее, пока их скорость не приблизится к скорости света, создавая мощный луч, который ученые всего мира используют для исследования атомного и молекулярные структуры неорганических и биологических материалов.
Теперь ученые из Стэнфорда и SLAC впервые создали кремниевый чип, способный ускорять электроны с помощью инфракрасного лазера. В статье, опубликованной в журнале Science, группа под руководством инженера Елены Вукович объясняет, как они создали наноразмерный кремниевый канал, запечатали его в вакууме и отправили электроны через эту полость, в то время как импульсы инфракрасного света передавались через стенки канала в ускорить электроны.
Миниатюрный ускоритель со множеством потенциальных применений
Ускоритель на кристалле - это всего лишь прототип, но Вукович говорит, что его конструкция и технологии производства могут быть расширены для доставки пучков частиц, достаточно ускоренных для проведения передовых экспериментов в области химии, материаловедения и биологии. которые не требуют мощности массивного ускорителя.
По словам физика Роберта Байера, Технология ускорителя на кристалле может также привести к новым методам лучевой терапии рака. Сегодня медицинские рентгеновские аппараты заполняют комнату и испускают луч излучения, который трудно сфокусировать на опухолях, поэтому пациенты должны носить свинцовые экраны, чтобы свести к минимуму побочный ущерб.
«В этой статье мы начинаем показывать, как можно доставить излучение электронного пучка непосредственно к опухоли, не затрагивая здоровые ткани», - говорит Байер, управляющий ускорителем на модельном чипе из международная программа, или ACHIP, частью которой является настоящее исследование.
Инфракрасный лазер вместо микроволн для ускорения электронов
В своей статье Вукович и Нил Сапра объясняют, как команда создала чип, который запускает импульсы инфракрасного света через кремний, чтобы поражать электроны в нужное время и под нужным углом для придания им скорости. увеличение. Для этого они перевернули процесс проектирования с ног на голову. В традиционном ускорителе, таком как SLAC, инженеры обычно разрабатывают базовую конструкцию, а затем запускают симуляции, чтобы физически расположить микроволновые импульсы так, чтобы обеспечить максимально возможное ускорение.
Но микроволны находятся в среднем на расстоянии 10 см от пика до минимума, а инфракрасный свет имеет длину волны меньше ширины человеческого волоса (750 нм-0,1 мм). Это различие объясняет, почему инфракрасный свет может ускорять электроны на таких коротких расстояниях по сравнению с микроволнами. Но это также означает, что физические характеристики чипа должны быть в 100 000 раз меньше, чем у медных структур традиционного ускорителя, что требует нового подхода к инженерии, основанного на интегрированных в кремний фотонике и литографии.
По теме: Физики создали самую маленькую тепловую машину в мире
Команда Вуковича решила проблему, используя алгоритмы обратного проектирования, разработанные в его лаборатории. Эти алгоритмы позволили исследователям работать в обратном порядке, указав, сколько световой энергии они хотели, чтобы чип доставил, и поручив программному обеспечению предложить, как построить правильные наноструктуры, необходимые для приведения фотонов в надлежащий контакт с потоком электронов.
Мишень мощностью 1 МэВ для электронов, ускоренных до 94% скорости света
Исследователи хотят разогнать электроны до 94% скорости света, или 1 миллиона электрон-вольт (1 МэВ), чтобы создать достаточно сильный поток частиц для исследовательских или медицинских целей. Этот прототип чипа обеспечивает только одну ступень ускорения, и поток электронов должен пройти около 1000 таких ступеней, чтобы достичь 1 МэВ. Но этот прототип встроенного ускорителя представляет собой полностью интегральную схему.
Это означает, что все критически важные функции, необходимые для создания ускорения, встроены прямо в чип, и расширение его возможностей должно быть относительно простым. К концу 2020 года исследователи планируют упаковать тысячу ступеней ускорения примерно в 2,5 см пространства чипа, чтобы достичь своей цели в 1 МэВ.
Миниатюрный ускоритель и борьба с раком
Несмотря на то, что это важная веха, такое устройство по-прежнему бледнеет по мощности по сравнению с возможностями исследовательского ускорителя SLAC, который может генерировать уровни энергии в 30 000 раз превышающие 1 МэВ. Но Байер считает, что так же, как транзисторы в конечном итоге заменили электронные лампы в электронике, устройства на основе света однажды бросят вызов возможностям микроволновых ускорителей.
В то же время, в ожидании разработки ускорителя на 1 МэВ на чипе, инженер-электрик Олав Солгаард уже начал работу над возможным приложением для борьбы с раком.
Сегодня энергичные электроны не используются для лучевой терапии, потому что они могут обжечь кожу. Solgaard работает над способом направления высокоэнергетических электронов от ускорителя размером с чип через вакуумную трубку, похожую на катетер, которую можно вводить под кожу рядом с опухолью, используя луч частиц для проведения лучевой терапии хирургическим путем.