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安装在芯片上的粒子加速器

就像台式电脑也能具备房间大小的大型机的一些功能一样,斯坦福大学研究团队开发了一种芯片原型,上面集成了巨型粒子加速器所具备的部分功能。

该图显示的是芯片加速器原型放大 2.5 万倍后的部分图像,该部分的宽度是人类头发的十分之一。来源:图片由 NEIL SAPRA提供

在斯坦福大学(Stanford University)的一处山坡上,SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)里运行着一台超过3公里长的科学仪器。在这个巨大的加速器中,有一股电子在真空管道中流动,被微波辐射推动着不停加速向前,直到速度接近光速,形成大功率的粒子流。世界各地的科学家用这光束探测无机和生物材料的原子及分子结构。

现在,斯坦福大学和SLAC的科学家们首次开发了一个能够加速电子的硅芯片。尽管只能加速到大型仪器速度的百分之一,但它的长度还不到一根头发的直径,使用红外激光推动这些粒子加速,所达到的能量是微波推进许多英尺才能达到的。
在1月3日出版的《科学》(Science)杂志中,电气工程师叶连娜•弗科维克(Jelena Vuckovic)领导的研究团队解释了他们如何在硅中雕刻纳米通道,将其密封形成真空,并通过这个通道发送电子。硅对于红外线是透明的,就像玻璃对可见光那样,因此红外线脉冲会透射过硅通道的壁,加速通道内的电子。
在《科学》杂志上展示的芯片加速器只是一个原型,但弗科维克说,它的设计和制造技术可以进行规模化,直到能将粒子束加速到所需的速度,用于化学、材料科学和生物学领域中一些不需要大型加速器能量的前沿实验。
弗科维克说:“最大的加速器就像大型望远镜。世界上只有几个,科学家必须到类似SLAC的地方来使用它们。我们希望将加速器技术小型化,使其成为更容易获得的研究工具。”
这个科研团队的成员将这种方法类比于计算机从大型机发展到较小但仍然有用的个人电脑。这篇论文的共同作者之一、物理学家罗伯特·拜尔(Robert Byer)说,芯片上的加速器技术也可能引领新的癌症放射疗法。再次强调,这是个尺寸问题。如今的医用X光机有房间那么大,它发出的射线很难只聚焦在肿瘤上,因此需要患者穿上铅衣防护服,将附带损害降到最低。
“在这篇论文中,我们开始展示这种可能性,即将电子束辐射直接发射到肿瘤上,而不影响健康组织,”拜尔说道。他领导着一个芯片加速器国际项目(Accelerator on a Chip International Program),或简称为ACHIP,目前的研究就是这个项目的一部分。

反向设计在这篇论文中,弗科维克和论文的第一作者,研究生尼尔•萨普拉(Neil Sapra)解释了他们的团队如何制造这种芯片,并发射红外光脉冲,透过硅在恰当的时间以恰当的角度轰击电子,使电子不停地逐渐向前加速。
为了实现这个目标,他们颠倒了设计过程。在传统的加速器中,比如SLAC的加速器,工程师们通常会起草一个基本设计,然后运行模拟计算来安排微波加速的实际位置,以提供最大的加速度。但是,微波从波峰到波谷约有10厘米,而红外线的波长只有人类头发的十分之一。这种差异解释了为什么与微波相比,红外线可以在短得多的距离内加速电子。但这也意味着该芯片的尺寸必须只有传统铜结构加速器的十万分之一,这就需要一种基于硅集成光子学和光刻技术的工程新方法。
弗科维克团队使用实验室开发的反向设计算法解决了这个问题。这些算法允许研究人员逆向设计,通过具体设置他们希望芯片传递的光能,并让软件提出正确的纳米尺度结构的设计建议,使光子能恰当地接触电子流。
“有时候,逆向设计可以得到人类工程师可能想不到的解决方案,”SLAC 的在职科学家、这篇《科学》论文的共同作者 R·乔尔·英格兰(R. Joel England)说道。
这个设计算法提出了一个看起来几乎不可思议的芯片布局。试想一个纳米尺度的平台,中间由一个通道隔开,并由硅蚀刻而成。电子在通道中流动,就像一束由硅组成的线,在设计好的位置碰撞着流过通道。激光脉冲每秒发射10万次,每一次发射时,一束光子撞击一堆电子,使它们加速前进。所有这些都发生在不到一根头发丝宽度的地方,在一个真空封装的硅芯片表面,由斯坦福大学的团队成员制造。
研究人员希望将电子加速到光速的 94%,即100万电子伏特(1MeV),从而产生足以用于研究或医疗目的的高能量粒子流。这种芯片原型只提供了一个加速阶段,电子流必须通过大约1000个这样的阶段才能达到1MeV。但弗科维克说,这并不像听起来那么可怕,因为这个芯片加速器原型是一个完全集成的电路。这意味着所有用来加速的关键功能都内置在芯片中,提高它的加速能力应该是相当简单的。
研究人员计划在2020年年底前将1000个加速阶段封装到约1英寸的芯片空间,实现他们的1MeV目标。尽管这将是一个重要的里程碑,但与SLAC研究加速器的能力相比,这种设备的功率仍然相形见绌。但是拜尔相信,就像晶体管最终取代了电子器件中的真空管一样,基于光的芯片加速器总有一天会挑战微波驱动加速器的能力。
与此同时,在计划开发1MeV芯片加速器的基础上,该论文的作者之一、电气工程师奥拉夫·索尔加德(Olav Solgaard)已经开始研究一种可能的抗癌应用。如今,高能量的电子不用于放射治疗,因为它们会灼伤皮肤。索尔加德正在研究的方法,通过一根插入体内的导管状真空管,将芯片加速器中的高能电子导到肿瘤边上,然后利用粒子束进行手术放射治疗。
索尔加德说:“除了研究应用外,加速器技术的小型化还有益于医疗应用。”

· 2020-02-08 18:41  本新闻来源自:,版权归原创方所有

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