Baner vejen:En accelerator på en mikrochip

Elektriske ingeniører i acceleratorfysikgruppen på TU Darmstadt har udviklet et design til en laserdrevet elektronaccelerator så lille, at den kunne produceres på en siliciumchip. Det ville være billigt og med flere applikationer. Designet, som er blevet offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , realiseres nu som en del af et internationalt samarbejde.

Partikelacceleratorer er normalt store og dyre, men det vil snart ændre sig, hvis forskere har deres vilje. Acceleratoren på et internationalt chipprogram (AChIP), finansieret af Gordon og Betty Moore Foundation i USA, sigter mod at oprette en elektronaccelerator på en siliciumchip. Den grundlæggende idé er at udskifte acceleratordele fremstillet af metal med glas eller silicium, og at bruge en laser i stedet for en mikrobølge generator som energikilde. På grund af glasets højere elektriske feltlastkapacitet, accelerationshastigheden kan øges, og dermed kan den samme mængde energi overføres til partiklerne inden for et kortere rum, gør acceleratoren kortere med en faktor på cirka 10 end traditionelle acceleratorer, der leverer den samme energi.

En af udfordringerne her er, at vakuumkanalen for elektronerne på en chip skal laves meget lille, hvilket kræver, at elektronstrålen er ekstremt fokuseret. De magnetiske fokuseringskanaler, der bruges i konventionelle acceleratorer, er alt for svage til dette. Det betyder, at der skal udvikles en helt ny fokuseringsmetode, hvis acceleratoren på en chip skal blive til virkelighed.

Som en del af TU Darmstadts profilområde Matter and Radiation Science, AChIP -gruppen i acceleratorfysik (fakultet for elektroteknik og informationsteknologi på TU Darmstadt), ledet af juniorforsker Dr. Uwe Niedermayer, for nylig foreslog en afgørende løsning, der kræver brug af selve laserfelterne til at fokusere elektronerne i en kanal, der kun er 420 nanometer bred. Konceptet er baseret på pludselige ændringer i elektronernes fase i forhold til laseren, resulterer i skiftevis fokusering og affokusering i de to retninger i chipoverfladens plan. Dette skaber stabilitet i begge retninger. Konceptet kan sammenlignes med en bold på en sadel - bolden falder ned, uanset hvilken retning sadlen vipper. Imidlertid, at dreje sadlen kontinuerligt betyder, at bolden forbliver stabil på sadlen. Elektronerne i kanalen på chippen gør det samme.

Vinkelret på chipens overflade, svagere fokusering er tilstrækkelig, og en enkelt firpolsmagnet, der omfatter hele chippen, kan bruges. Dette koncept ligner det med en konventionel lineær accelerator. Imidlertid, til en accelerator på en chip, elektrondynamikken er blevet ændret for at skabe et todimensionalt design, som kan realiseres ved hjælp af litografiske teknikker fra halvlederindustrien.

Niedermayer er i øjeblikket gæsteforsker ved Stanford University; det amerikanske universitet leder AChIP -programmet sammen med universitetet i Erlangen i Tyskland. I Stanford, han samarbejder med andre AChIP -forskere med det formål at skabe en accelerator på en chip i et eksperimentelt kammer på størrelse med en skokasse. Et kommercielt tilgængeligt system, tilpasset ved hjælp af kompliceret ikke-lineær optik, bruges som laserkilde. Formålet med AChIP -programmet, som har finansiering frem til 2020, er at producere elektroner med en mega-elektron volt energi fra chippen. Dette svarer omtrent til den elektriske spænding på en million batterier. Et yderligere mål er at skabe ultrakort ( <10 ^-15 sekunder) elektronpulser, som krævet af designet til en skalerbar accelerator på en chip udviklet i Darmstadt.

Ansøgninger inden for industri og medicin

De mulige applikationer til en accelerator som denne ville være inden for industri og medicin. Et vigtigt langsigtet mål er at skabe en kompakt, sammenhængende røntgenstrålekilde til karakterisering af materialer. Et eksempel på en medicinsk anvendelse ville være et accelerator-endoskop, som kunne bruges til at bestråle tumorer dybt inde i kroppen med elektroner.

En særlig fordel ved denne nye acceleratorteknologi er, at chipsene kunne produceres billigt i stort antal, hvilket ville betyde, at speederen ville være inden for rækkevidde af manden på gaden, og hvert universitet havde råd til sit eget acceleratorlaboratorium. Yderligere muligheder vil omfatte brugen af ​​billige sammenhængende røntgenstrålekilder i fotolitografiske processer i halvlederindustrien, hvilket ville muliggøre en reduktion i transistorstørrelse i computerprocessorer, sammen med en større grad af integrationstæthed.