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基于激光的微芯片粒子加速器将使工业和医学受益
材料来源:LFWC          

如果电子加速器可以制造得足够小和便宜,不仅每个大学都能够负担得起自己的加速器实验室,而且可以提供廉价的半导体工业中用于光刻工艺的相干X射线束源,这可以减小晶体管尺寸,在计算机处理器中增加集成密度。对于医疗用途,基于电子加速器的内窥镜可用于照射体内深处的肿瘤。

由美国Gordon和Betty Moore基金会资助的加速器芯片国际计划(AChIP)旨在在硅芯片上创建电子加速器。基本思想是用玻璃或硅代替金属制成的加速器部件,并使用激光代替微波发生器作为能源。

由于玻璃具有更高的电场负载能力,因此可以提高加速度,从而可以在更短的空间内将相同的能量传递到粒子,使得在传递相同能量时这种加速器比传统加速器所用时间缩短短约10倍。 

其中一个要面临的问题是芯片上电子的真空通道必须非常小,这要求电子束有很好的聚焦。因为传统加速器中使用的磁聚焦通道对此来说太弱,所以如果芯片上的加速器要成为现实,则必须开发全新的聚焦方法。

利用激光场聚焦电子

达姆施塔特工业大学(TU)的研究人员由Uwe Niedermayer领导,现在正在使用激光本身的电磁场将电子聚焦在仅420nm宽的通道内。该概念基于电子相对于激光的相位的突然变化,导致在芯片表面的平面中的两个方向上交替聚焦和散焦。

垂直于芯片表面,较弱的聚焦就足够了,可以使用包含整个芯片的单个四极磁铁。该概念类似于传统的线性加速器。然而,对于芯片上的加速器,电子动力学已经改变以产生二维设计,这可以使用半导体工业的光刻技术来实现。

Niedermayer目前是斯坦福大学的访问科学家; 美国大学与德国埃尔兰根大学一起领导AChIP项目。在斯坦福大学,他正在与其他AChIP科学家合作,目的是在一个像鞋盒大小的芯片上创建一个加速器。结合非线性光学器件的市售系统用作激光源。AChIP计划的目标是在2020年之前获得资金,用于从芯片产生1MeV能量的电子。另一个目标是根据达姆施塔特开发的芯片上可扩展加速器的设计要求,创建超短(小于10 -15 s)的电子脉冲。




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