Hiukkaskiihdytin mikropiirille

Kuvassa osa sirurakenteisesta hiukkaskiihdyttimestä. Harmaat rakenteet keskittävät infrapunalaservaloa (näkyy keltaisena ja purppurana) keskikanavan läpi virtaaviin elektroneihin. Pakkaamalla tuhat kanavaa tuuman kokoiselle sirulle Stanfordin tutkijat toivovat kiihdyttävänsä elektroneja 94 prosenttiin valon nopeudesta.

Hiukkaskiihdyttimet ovat massiivisia työkaluja tieteessä ja teollisuudessa. Perinteisten radiotaajuustoimisen kiihdyttimien koko ja kustannukset rajoittavat kuitenkin sen hyötyjä.

Stanfordin ja SLAC:n tutkijat ovat nyt luoneet ensimmäistä kertaa piisirun, joka pystyy kiihdyttämään elektroneja infrapunalaserin avulla.

Esitelty kiihdytin sirulle on vain prototyyppi, mutta tutkijaryhmää johtanut Jelena Vuckovic kertoo, että sen suunnittelu- ja valmistustekniikoita voidaan skaalata tuottamaan hiukkassäteitä, jotka on riittävästi kiihdytetty suorittamaan kemiassa, materiaalitieteessä ja biologiassa kokeita, jotka eivät vaadi massiivisen kiihdyttimen tehoa.

Kiihdytin on-a-chip -teknologia voisi myös johtaa uusiin syövän sädehoitoihin, toteaa fyysikko Robert Byer. Nykyään lääketieteen röntgenlaitteet täyttävät huoneen ja tuottavat säteen, jota on vaikea keskittää kasvaimiin. Potilaiden on käytettävä lyijysuojuksia lisävahinkojen minimoimiseksi. Nyt alkaa näyttää, miten voisi olla mahdollista antaa elektronisuihkusäteily suoraan kasvaimeen, jolloin terve kudos säilyy ennallaan”, kommentoi Byer.

Tutkijat toteuttivat sirun, jossa infrapunalaserin valopulssit kulkevat piin läpi osuakseen elektroneihin oikeaan aikaan ja oikeassa kulmassa, siirtääkseen niitä eteenpäin vain hiukan nopeammin kuin sitä ennen.

Kun mikroaaltojen mitat ovat nelisen tuumaa niin infrapunavalon alle millimetrin aallonpituus tarkoittaa, että kiihdytinsirun fyysisten ominaisuudet voivat olla 100 000 kertaa pienempiä kuin perinteisen kiihdyttimen rakenteet.

Tämä vaati uutta lähestymistapaa tekniikkaan, joka perustuu piille integroituun fotoniikkaan ja litografiaan. Suunnitteluprosessikin jouduttiin kääntämää ylösalaisin.

"Joskus käänteiset mallit voivat tuottaa ratkaisuja, joita ihmisinsinööri ei ehkä ole ajatellut", toteaa SLAC:n tutkija R. Joel England. Suunnittelualgoritmi keksi rakenteen, joka näyttää melkein muulta maailmalta.

Tutkijat haluavat kiihdyttää elektroneja 94 prosenttiin valon nopeudesta tai miljoonaan elektronivolttiin (1MeV) luodakseen hiukkasvirtauksen, joka on riittävän voimakas tutkimuksen tai lääketieteen tarkoituksiin.

Tämä prototyyppisiru tarjoaa vain yhden kiihtyvyysvaiheen, ja elektronivirtauksen tulisi kulkea noin tuhannesta tällaisesta vaiheista 1MeV:n saavuttamiseksi.

Mutta se ei ole niin pelottavaa, miltä näyttää, Vuckovic toteaa, koska tämä prototyyppikiihdytin on täysin integroitu piiri. Tämä tarkoittaa, että kaikki kriittiset toiminnot, joita tarvitaan kiihdytyksen luomiseen, on rakennettu sirulle, ja sen ominaisuuksien lisääminen voisi olla kohtuullisen suoraviivaista.

Aiheesta aiemmin: Laserien käyttö monipuolistuu