Исследователи построить ускоритель частиц, который помещается на чип

На склоне холма над Стэнфордского университета, Национальной ускорительной лаборатории SLAC действует научной аппаратуры около 2 километров. В этом гигантском ускорителе, поток электронов протекает через вакуумную трубку, как всплески микроволнового излучения подталкивать частицы все быстрее вперед, пока их скорость приближается к скорости света, создавая мощный луч, и ученые со всего мира используют его для зонда атомно-молекулярной структуры неорганических и биологических материалов.

Теперь, впервые, ученые из Стэнфордского и ускорителе SLAC создали кремниевый чип, который может ускорить электроны — хотя и в меньших скорости, что массивный инструмент, с помощью инфракрасного лазера, чтобы доставить, менее чем за волосы ширина, своего рода заряд энергии, который берет микроволн много ног.

Писать в января. 3 выпуске журнала Science, группа ученых под руководством инженер-электрик Елена Вукович объяснил, как они вырезали наноскопического канала из кремния, запечатанные в вакуум и отправляют электронов через эту полость, а импульсы инфракрасного света, к которому кремния прозрачна, как стекло для видимого света, были переданы по каналу стен, чтобы скорость электронов вдоль.

Ускоритель-на-чипе показали в науке-это всего лишь прототип, но Вукович сказал, что его проектирование и изготовление техники могут быть расширены, чтобы доставить частиц ускоряется достаточно, чтобы выполнить передовые опыты в области химии, материаловедения и биологических открытий, которые не требуют питания массивного ускорителя.

«Крупнейшие ускорители, как мощные телескопы. Есть только несколько в мире, и ученые должны прийти в такие места, как ускорителе SLAC их использовать», — сказал Вукович. «Мы хотим, чтобы миниатюризировать технологию ускорителя таким образом, что делает его более доступным исследовательского инструмента».

Члены команды сравнивают их подход к тому, как эти вычисления, произошли от мэйнфреймов к меньше, но все еще полезную ПК. Ускоритель-на-чипе технологии может привести к раку лучевой терапии, сказал физик Роберт Байер, а соавтор научной работы. Опять же, это вопрос размера. Сегодня, медицинских рентгеновских аппаратов заполнить комнату и доставить пучок излучения, что трудно сосредоточиться на опухоли, требующие пациентов носить свинцовые экраны, чтобы минимизировать сопутствующий ущерб.

«В этой статье мы начнем показывать, как это возможно для доставки электронного пучка излучения непосредственно к опухоли, оставляя здоровые ткани не затрагиваются», — сказал Байер, который ведет ускоритель на чипе международной программы, или ACHIP, более широких усилий, которых это настоящее исследование является частью.

Обратная конструкция

В своей статье, Вукович и аспирант Нил Сапра, первый автор, объясни, как команда создала чип, который стреляет импульсами инфракрасного света на основе кремния для попадания электронов в нужный момент, и только под прямым углом, чтобы переместить их вперед чуть быстрее, чем раньше.

Для этого они превратили процесс проектирования сверху вниз. В традиционном ускоритель, как на ускорителе SLAC, инженеры, как правило, проект базовый дизайн, затем выполнить моделирование, чтобы физически расположить микроволновых всплесков, чтобы доставить максимально возможное ускорение. Но микроволны мера 4 дюйма от пика до корыта, в то время как инфракрасный свет имеет длину волны одной десятой ширины человеческого волоса. Это различие объясняет, почему инфракрасный свет может ускорить электроны в такие короткие расстояния по сравнению с микроволнами. Но это также означает, что физические характеристики чип должен быть в 100 000 раз меньше, чем медных структур в традиционных ускорителей. Это требует нового подхода к инженерии на основе Кремниевой интегральной фотоники и литографии.

Команда Вукович решил проблему с помощью алгоритмов обратного проектирования, что ее лаборатория разработала. Эти алгоритмы позволили исследователям работать в обратном направлении, с указанием того, сколько световой энергии они хотели, чтобы чип поставить, и отправляю программного обеспечения, предлагая как построить правильный наноразмерных структур, необходимых для приведения фотонов в надлежащий контакт с потоком электронов.

«Иногда, обратной конструкции могут вырабатывать решения, которые инженера-человека, возможно, не думали», — сказал Р. Джоэл Англии, на ускорителе SLAC научный сотрудник и соавтор по научной статье.

Разработку алгоритма с макета чип, который, кажется, почти потусторонним. Представьте наноразмерных плато, разделенные каналом, вытравили из кремния. Электроны текут через канал запустить рукавица силиконовая провода, пробился через стену каньона в стратегических местах. Каждый раз, когда лазерные импульсы — что оно 100000 раз в секунду-взрыв фотонов попадает пучок электронов, ускоряя их вперед. Все это происходит менее, чем ширина волоса, на поверхности вакуумно-герметичный силиконовый чип, сделанный членами команды в Стэнфорде.

Исследователи хотят ускорить электроны до 94 процентов от скорости света, или 1 миллион электрон-вольт (1MeV), чтобы создать поток частиц достаточно мощного для научных или медицинских целей. Этот чип прототипа обеспечивает только одну ступень ускорения, а поток электронов должен проходить через около 1000 из этих этапов, чтобы добиться 1MeV. Но это не так трудно, на это может показаться, — сказал Вукович, потому что этот прототип ускорителя-на-чипе является полностью интегрированной цепи. Это означает, что все важнейшие функции, необходимые для создания ускорения встроены в Чип, и увеличивая его потенциал должен быть достаточно простым.

Исследователи планируют собрать тысячи ступеней ускорения примерно на дюйм пространства для стружки, к концу 2020 года, чтобы достичь своей цели 1MeV. Хотя это было бы важной вехой, такое устройство будет по-прежнему бледен в силу наряду с возможностями исследования ускорителе SLAC ускоритель, который может генерировать энергетические уровни 30000 раз большей, чем 1MeV. Но Байер считает, что в конечном итоге транзисторы заменили вакуумные лампы в электронике, светло-устройствах в один прекрасный день бросить вызов возможностям микроволновая печь-ориентированных ускорителей.

Между тем, в преддверии разработки 1MeV ускоритель на чипе, инженер-электрик Олав Solgaardбыл, соавтор на бумаге, уже начал работу над возможным для борьбы с раком применение. Сегодня, обладающие высокой энергией электроны не используются для лучевой терапии, потому что они будут жечь кожу. Solgaardбыл является работа над образом в канал электронов высокой энергии с чипом размера ускорителя через катетер-как вакуумная трубка, которая может быть вставлена под кожу рядом с опухолью, с помощью пучка частиц хирургически провести лучевую терапию.

«Мы можем получить медицинские льготы от миниатюризации ускорительной технике, в дополнение к научно-исследовательских приложений», — сказал Solgaardбыл.

сделать разницу: спонсорские возможности