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适合硅芯片的新型粒子加速器!

2021-11-12 16:42     来源:优概念     粒子加速器美国加速器实验室

当电子流过这个蚀刻在硅芯片中的通道时,激光(以黄色和紫色显示)将粒子加速到高速。图源:尼尔萨普拉

在全尺寸粒子加速器中,当微波轰击电子时,电子沿着数公里长的路径飞行,将粒子加速到接近光速。这种由加利福尼亚州 SLAC 美国加速器实验室等设施产生的高能电子束可以进行各种实验,包括捕获极其详细的图像和探测分子结构。但是粒子加速器很昂贵,需要科学家从世界各地旅行,并且无法容纳所有提交预订时间请求的研究人员。为了使这些设备更易于使用,斯坦福大学的一个团队开发了一种激光驱动的粒子加速器,它可以安装在一个微小的硅芯片上——并且最终可以按比例放大以产生与 SLAC 一样多能量的光束。

“在加速器中使用激光的想法可以追溯到 1960 年激光发明的那一年,”斯坦福大学研究员罗伯特·拜尔说,他从 1974 年就开始研究这个概念。激光产生的电磁波比波长短得多。全尺寸加速器中使用的微波,这意味着它们可以加速电子在更小的空间中移动。“这些设备的尺寸非常小,”拜尔说。例如,新加速器中的电子沿着一条大约千分之三毫米宽的通道行进——大约是人类红细胞宽度的一半。

尽管激光驱动设备可以在比全尺寸加速器小得多的空间内加速电子,但它们也需要更高的精度以正确的方式排列激光和电子,因此光波将粒子推向正确的方向尽可能多的能量。“您不仅必须证明在这些非常小的结构中将激光与电子耦合的能力,而且还必须产生电子并让它们也通过通道传输,”拜尔解释说。2013年两个研究小组,一个在斯坦福大学和其他美国机构 ,另一个在德国,独立设法用激光加速电子。但是这些概念验证原型需要单独的设备来产生电子,而且使用现有技术很难批量制造。

然而,雕刻在硅上的激光驱动加速器更容易按比例放大,并且多个组件可能会安装在同一个芯片上。Byer 与其他几位研究人员合作,包括斯坦福大学电气工程师 Jelena Vuckovic,以生产这样的工具。“你必须设计的是以正确的方式引导光的结构,所以光总是会向正确的方向提供冲击——所以粒子总是会加速,”Vuckovic 说。为了确定这种结构,她的学生 Neil Sapra 使用计算机来模拟不同模式如何与传入的电磁波相互作用。一旦他们设计出尽可能多地加速电子的设计,并且始终朝着正确的方向进行,研究人员就将该加速器蚀刻到硅晶片中。
 


图片来源:Melissa Thomas Baum,Buckyball 设计;来源:“片上集成激光驱动粒子加速器”,Neil V. Sapra 等人,Science,Vol。

当晶片从上方用激光脉冲照射时,激光会撞击一个称为“输入耦合器”的光栅,从而使其沿着芯片的长度移动。接下来,光波进入计算机设计的路径,穿过芯片的宽度。当光通过时,图案会聚焦波,因此它们将能量传递给沿路径发射的电子束。这种能量推动粒子更快地前进。周四在《科学》杂志上发表了对该芯片的描述。

“这是一篇非常有前途的论文,”布鲁克海文国家实验室加速器测试设施主任马克·帕尔默说,他没有参与这项新研究。“我认为他们在展示我们如何开始设计这些结构并实际提出工作设备方面做得非常好,希望在不久的将来,”他补充道。

斯坦福大学的研究人员发现他们的原型可以成功地将电子能量提高 915 电子伏特。尽管按照日常标准,这种能量是微不足道的,但由于电子仅行进了百分之三毫米——相当于它们在一米的过程中获得了大约 3000 万电子伏特,因此发生了增加。这种变化不是像 SLAC 这样的加速器所能提供的,它有很多米,可以为电子提供数百亿电子伏特的能量。然而,与大型加速器相比,微型加速器可以更容易地扩大规模:因为它是在一个小硅片上蚀刻的,研究人员可以在未来的设计中安装多个加速路径,而无需增加体积。

“我们展示了加速器的单级,”Vuckovic 说。“在单个硅晶片上从这个单级扩展到 1,000 个级是非常简单的。” 她估计,一个几厘米长的芯片上可以容纳 1,000 个级,并为电子注入一百万电子伏特的能量,使它们能够以大约 94% 的光速行进。这一成就足以让研究人员进行一些目前需要访问像 SLAC 这样的加速器的实验。具有这种能量的电子也有可能实现医疗应用,例如在不损害健康组织的情况下为癌症患者提供有针对性的放射治疗。“我们基本上可以制造具有非常紧密聚焦的电子束的仪器,并可以使用它来选择性地靶向肿瘤,”Vuckovic 说。

帕尔默的估计更为保守,他猜测申请可能需要 10 年才能实现。然而,他对当时加速器对芯片的影响持乐观态度。他说:“归根结底,通过在这些小结构中[加速粒子],你拥有的设备可以很容易地适应任何你需要在其中运行它们的环境,而不是拥有一个更大的粒子加速器,必须进入一个非常固定的足迹。”

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