Создан миниатюрный ускоритель-на-чипе, способный разгонять электроны до 1 миллиона электрон-вольт

19:50 / 2020-01-16

Ускорители частиц в некоторых случаях могут обеспечить эффективное лечение рака и других онкологических заболеваний, но, как правило, ускорители, способные обеспечить разгон частиц до высокой энергии, являются огромными, сложными и дорогостоящими установками. Ускоритель SLAC, к примеру, имеет длину 3.2 километра, а в самом большом и мощном ускорителе, Большом Адронном Коллайдере, протоны движутся внутри 27-километрового кольцевого туннеля. Однако, ученым из Стэнфордского университета удалось "сжать" технологию ускорения частиц так, что созданный ими ускоритель умещается на кристалле полупроводникового чипа, что, по идее, должно будет способствовать самому широкому применению этого устройства в ближайшем будущем.

В обычных ускорителях частицы подаются в вакуумные каналы, где они и разгоняются до чрезвычайно высоких скоростей. В ускорителе SLAC все это делается при помощи микроволновых излучателей, а в коллайдере используются огромные электромагниты со сверхпроводящими обмотками.

Работы, направленные на миниатюризацию технологий ускорения частиц ведутся уже достаточно давно. В свое время специалистам Европейской организации ядерных исследований CERN удалось создать рабочий прототип ускорителя, размером около 2 метров. А теперь, как упоминалось выше, ученым из Стэнфордского университета и лаборатории SLAC удалось уместить целый ускоритель на поверхности кремниевого полупроводникового чипа.

В этом ускорителе-на-чипе электроны излучаются внутрь вакуумного канала, который имеет длину в 30 микрометров, что меньше толщины человеческого волоса. Вместо микроволновых излучателей или электромагнитов новый ускоритель выполняет свою работу при помощи инфракрасного света, приходящего через кремниевые каналы, световоды. Инфракрасный лазер выдает импульсы с частотой в 100 тысяч раз в секунду, фотоны света ударяют в электроны под прямым углом, что заставляет их ускориться в нужном направлении.

В его нынешнем виде ускоритель-на-чипе еще не готов к практическому использованию, он является лишь устройством, созданным для подтверждения работоспособности миниатюрных технологий ускорения частиц. На данный момент ускоритель способен обеспечить поток электронов с энергией 0.915 кэВ (килоэлектрон-вольт), что в тысячу раз слабее, чем это необходимо для применения ускорителя в исследовательских и медицинских целях.

Но к концу года Стэнфордские ученые нацелились на "взятие планки" в 1 МэВ (мегаээлектрон-вольт). При этом, все будет сделано очень просто, длина разгонного канала будет увеличена в 1000 раз и во столько же раз увеличится энергия разгоняемых электронов. Ускоритель с удлиненным каналом вырастет в размерах, но он все равно будет умещаться на поверхности чипа, длиной 2.5 сантиметра.

Когда исследователи создадут новый ускоритель-на-чипе, ему тут же найдется практическое применение. Чип ускорителя может быть внедрен прямо в тело пациента в нужном месте, а вырабатываемый им поток высокоэнергетических электронов будет направлен точно на злокачественную область и начнет поражать раковые клетки, не задевая расположенные рядом клетки здоровых тканей.

Источник: https://www.dailytechinfo.org