粒子加速器的大小不一,有的可以裝在實驗室里,有的則需要占據(jù)幾公里甚至幾十公里的空間。然而,一項新的研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在科學家們正在更仔細地研究芯片大小的電子加速器。該技術(shù)的近期潛在應(yīng)用包括用于精準治療,替代那些更有破壞性的放療,這種放療可以殺死癌細胞,以及新型激光和光源。
粒子加速器通常推動金屬管或金屬環(huán)內(nèi)的粒子。它們加速粒子的速率受到金屬表面所能承受的峰值場的限制。傳統(tǒng)加速器的尺寸從醫(yī)學應(yīng)用的幾米到基礎(chǔ)研究的幾公里不等。他們使用的電場通常在每米數(shù)百萬伏的規(guī)模上。
相比之下,電絕緣介電材料(導(dǎo)電性不好但能很好地支持靜電場的材料)可以承受數(shù)千倍強的光場。這使得科學家們開始研究制造依賴激光投擲粒子的介電加速器。這種設(shè)備可能會導(dǎo)致“芯片上的加速器”比傳統(tǒng)機器小很多倍,也便宜很多倍。
該研究的資深作者、德國埃爾蘭根-紐倫堡大學的物理學家Peter Hommelhoff說:“這種想法幾乎和激光一樣古老。有時候,研究需要時間,我們發(fā)現(xiàn),實現(xiàn)某些東西比拋出想法要求更高?!?/p>
在這項新的研究中,物理學家制造了一個225納米寬、0.5毫米長的微小通道。電子束進入通道的一端并從另一端射出。
研究人員在通道頂部照射250飛秒長的紅外激光脈沖,以幫助加速電子向下移動。在通道內(nèi)部,兩排高達733根的硅柱,每根2微米高,與這些激光脈沖相互作用,產(chǎn)生加速力。
電子以28400電子伏特的能量進入加速器,以大約三分之一的光速行進。他們以40700電子伏特的能量離開它,能量增加了43%。
這種新型粒子加速器可以使用標準的潔凈室技術(shù)制造,如電子束光刻。Hommelhoff說:“這就是為什么我們認為我們的結(jié)果代表著向前邁出了一大步。每個人都可以從中著手設(shè)計有用的機器?!?/p>
粒子加速器不僅推動粒子,而且限制粒子,最大限度地減少粒子損失。先前的研究發(fā)現(xiàn),帶電粒子束不可能同時聚焦在所有三維空間。因此,科學家們設(shè)計了他們的加速器結(jié)構(gòu),以改變他們聚焦電子束的方向,從而在所有三個維度上產(chǎn)生約束的凈結(jié)果。
盡管如此,研究人員預(yù)計這種限制策略在相對較長的距離內(nèi)不會奏效。
Hommelhoff說:“我們曾希望0.1和0.2毫米長的加速器結(jié)構(gòu)能起作用,在我們看到它們起作用后,我們就繼續(xù)嘗試我們制造的更長的加速器結(jié)構(gòu)。看到0.3、0.4甚至0.5毫米長的結(jié)構(gòu)也能工作,真是太棒了?!?/p>
Hommelhoff將他們的成功歸功于制造質(zhì)量,幾乎去除了每一塊灰塵或任何其他可能殺死電子束的障礙。
Hommelhoff說:“我們的幾位同事曾告訴我們,這永遠不會奏效,因為所需的制造精度水平可能太高,但幸運的是,事實并非如此。其他人說這永遠不會奏效或有意義 —— 我們將其視為一種動力?!?/p>
這些納米光子電子加速器的應(yīng)用取決于它們所能達到的能量。Hommelhoff說,高達300000電子伏特的電子是電子顯微鏡的典型代表。為了治療皮膚癌癥,需要1000萬個電子伏特電子。盡管目前此類醫(yī)療應(yīng)用需要一個1米寬的加速器,以及額外的大型、重型和昂貴的部件來幫助驅(qū)動加速器,但該研究的主要作者、德國紐倫堡埃爾蘭根大學的物理學家Tomá? Chlouba補充道:“原則上,我們可以同時去掉這兩個部件,只需要一個大約1厘米的芯片,再加上幾厘米的電子源?!?/p>
同步加速器光源、自由電子激光器和尋找輕質(zhì)暗物質(zhì)等應(yīng)用都伴隨著數(shù)十億電子伏特的電子。Hommelhoff說,有了萬億電子伏特的電子,高能對撞機就成為可能。
Hommelhoff指出,他們的結(jié)構(gòu)相對難以加速相對較慢的電子,比如他們實驗的大約30000電子伏特的電子。他說:“當電子接近光速時,這些結(jié)構(gòu)會變得更有效率,這意味著是當它們的能量接近100萬電子伏特時?!?/p>
科學家們指出,在最初的概念驗證結(jié)構(gòu)之外,還有很多方法可以改進他們的設(shè)備。他們現(xiàn)在的目標是用更大的加速度和更高的電子電流進行實驗,以幫助實現(xiàn)應(yīng)用,并通過制造許多相鄰的加速器通道來提高輸出,這些通道都可以由相同的激光脈沖驅(qū)動。
此外,盡管這項新研究實驗了由硅制成的結(jié)構(gòu),因為使用硅相對容易,但“硅并不是一種真正的高損傷閾值材料,” Hommelhoff如此表示。他說,由玻璃或其他材料制成的結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生更強的激光脈沖,從而產(chǎn)生更強大的加速度。
Hommelhoff說,研究人員有興趣建造一個小型加速器,“也許首先考慮到皮膚癌癥治療應(yīng)用。這當然也是我們應(yīng)該很快會和一家初創(chuàng)公司共同做的事情?!?/p>
審核編輯:彭菁
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原文標題:芯片上的粒子加速器達到硬幣大小
文章出處:【微信號:IEEE_China,微信公眾號:IEEE電氣電子工程師】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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