00

Ускоритель частиц на микрочипе

Так будет выглядеть мельчайший электронный ускоритель. Он так же может производиться большими частями в целях экономии затрат на производство. Foto: Hagen Schmidt / Andrew Ceballos

Научная группа в области электротехники технического университета Дармштадт (Германия) разработала концепцию создания мельчайшего лазерного ускорителя. Разработка может найти применение в медицине и индустрии.

Меньше, легче, дешевле: уже существующие изобретения электротехники могут найти новые способы применения благодаря развитию науки. Отличным примером являются мельчайшие ускорители. Обычно они большого размера и высокой стоимости. В техническом университете Дармштадт ученые нашли новые способы применения существующих принципов при использовании новых компонентов. Результатом исследований должен стать лазерный микроускоритель, помещающийся на мельчайшем чипе из кремния. Международный союз ученых работает над внедрением нового исполнения в практике.

Микроускорители могут найти применение практически в любой сфере. Исследования берут свое начало в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарском городе Генф, где проводятся фундаментальные исследования на базе ускорителя больших размеров. Но и в более практичных сферах, таких как материальные исследования для индустрии, ускорители незаменимы. Кроме того, они имеют неоспоримое значение в современной медицине, где на основе ускорителей совершается традиционная лазерная терапия. Если ученым удастся воссоздать ускоритель размером с микрочип, дальнейшие разработки на основе этого изобретения не заставят себя долго ждать. Производство микроускорителей является многообещающим, что вызвало интерес у американского фонда «Gordon-and-Betty-Moore», который целенаправленно производит финансовую поддержку исследований. В финансовую программу «Accelerator on a Chip International Program (AchIP)» попали и немецкие ученые из технического университета Дармштадт.

Лазер вместо микроволнового генератора в качестве источника

Электротехники кафедры физики ускорений технического университета Дармштадт заменили привычные металлические детали ускорителей на детали из стекла и кремния. Стекло обладает большей ёмкостью поля, чем металл. Таким образом, с помощью внедрения нового материала могут быть улучшены технические характеристики ускорителя. Фактическая длина, которая требуется современному ускорителю для передачи частиц, будет уменьшена в 10 раз, при этом количество конечной мощности останется прежним. Кроме того, в качестве источника энергии теперь будет применяться не микроволновый источник, а лазер. При этом используется уже знакомая система, доступная на рынке, которая преобразуется с помощью сложной нелинейной оптики для исследовательских целей. Малый размер ускорителя приносит вместе с собой и новые трудности: в нормальном ускорителе частицы движутся в вакууме. В таком случае тот самый канал, по которому движутся частицы, тоже должен быть значительно уменьшен. В конечном счете это приводит к тому, что излучение электронов должно быть еще более сфокусировано, а для этого не хватает магнитной мощности. Команда молодых ученых вместе с Уве Нидермайером представили одно из возможных решений этой проблемы: для более сильной концентрации частиц они используют само лазерное поле.

Принцип данной технологии заключается в следующем: ученые изменяют относительную фазу электронов скачкообразно, и ,как результат, получают попеременно фокусировку и расфокусировку в двух направлениях на площади поверхности чипа. Для большей наглядности поможет разобраться практический пример: если положить шарик сверху на седло, то он скатится вниз, вне зависимости от того, в какую сторону повернуто седло. Если же вращать седло медленно и равномерно, то шарик будет задерживаться наверху. Таким же образом ведут себя и электроны на поверхности чипа.

Возможности применения в медицине и индустрии

Молодой ученый по имени Уве Нидермайер проходит на данный момент стажировку в Стендфордском университете по программе AchIP, которая проводится совместно с университетом Эрлангена. Лабораторное пространство, в котором он проводит эксперименты с лазерным микроускорителем, по величине походит на картонную обувную коробку. Но это ничуть не умаляет больших целей, стоящих перед молодым ученым. К 2020 году должно получиться извлечь из чипа электроны с мощностью в 1 Мегаэлектронвольт. Такой заряд соответствует заряду примерно одного миллиона батареек. Такой микрочип мог бы иметь огромный интерес в сфере медицины и индустрии. Например, с его помощью можно было бы создать адгезивный источник рентгеновского излучения, который бы помогал определять характеристики материалов. В медицине разработка нашла бы свое применение в качестве ускорителя-эндоскопа для обнаружения опухолей изнутри тела, с наименьшим ущербом в качестве побочных действий на организм.

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?