史丹福大學研發「晶片加速器」 或將徹底改變醫療保健

2021-02-15 IEEE電氣電子工程師

當斯坦福SLAC國家加速器實驗室於1966年首次開放時，它已經獲得了世界上最長的直線加速器的榮譽：位於加利福尼亞州北部綿延起伏的丘陵之下，長達25公尺的一個3.2公裡的怪物。

 

近日，戈登和貝蒂·摩爾基金會已經授予史丹福大學1350萬美元資金，帶領一個研究小組（包括美國能源部SLAC國家加速器實驗室）在雷射器上建立一個鞋盒大小的粒子工作加速器，即「晶片上的加速器」技術。

 

SLAC的全尺寸加速器，被稱為LINAC，依靠作為射頻放大器的klystrons（專用真空管）產生用於該設備實驗的高能電子束。 他們也產生了一大堆輻射，這就是為什麼光束被埋在兩層地下的混凝土掩體中。

 

電子在線的一端產生，然後加速到99.99999％的光速，因為它們沿著2英裡長的儀器行進。 它們還注入了高達15 GeV的額外能量。當這些亞原子粒子撞擊到目標 - 在這種情況下，無論是樣品材料還是電子的bizarro雙胞胎，正電子 - 他們真的打包了一個衝擊波。

 

這種設置的問題是成本和可用性;這個星球上只有少數幾個，因為它們的建造、維護和運行非常昂貴。因此，對機器的需求大大地掩蓋了設備可以運行的時間量。如今，直線加速器每周五天，每天平均運轉24小時，其中的一些時間用於維修。 SLAC的服務要求很高，只有六分之一的實驗被接受，那些得到認可的人將被期望遵守嚴格的時間表。

 

目前，粒子加速器均使用微波驅動粒子，因為微波擁有較長波長且發散空間廣泛。在新的實驗中，科學家用雷射代替微波照射一塊石英玻璃晶片，這樣雷射會與顯微鏡通道中的皺褶相互作用。美國SLAC國家加速器實驗室物理學家喬爾-英格蘭德是該五年項目的成員之一，他表示：「既然微晶片產業可以改革計算機，或許我們也能如此改革粒子加速器。縮小粒子加速器就是令它們變得體積更小，造價更低廉，一旦成功，加速器將變得平民化。」在實驗中，這種相互作用產生一個電場，提高經過電子的能量，這些電子以前在高能粒子加速器中都是被加速到接近光速。實驗顯示，在給定距離範圍裡，晶片能實現的能量提升比SLAC直線加速器還要高出10倍。德國埃爾朗根-紐倫堡大學科學家研究發現，雷射可被用來加速較低能的電子，這些低能電子以前在加速器中未被提升到最大速度。利用這種技術，科學家可將加速器晶片組合起來，足球場那麼長的晶片就能替代長2英裡(約合3219米)的直線加速器相干光源。如此一來，科學家將有望縮小下一代對撞機，如計劃中的日本國際直線對撞機，以進行物質新形態的探索。

 

該國際合作項目集合了加速器物理學、雷射物理學、納米光子學和納米製造領域的世界知名專家，由史丹福大學、SLAC國家加速器實驗室，以及埃爾朗根-紐倫堡大學等全球多個實驗室及大學合作，致力研發新一代「桌面型」粒子加速器。史丹福大學應用物理學家羅伯特-拜爾表示：「雷射能夠以阿秒量級加速電子，所用時間相當於電子繞行原子核的時間。藉助這種精確方法，研究人員將能夠對原子中電子的環繞進行攝像，以便我們觀測電子的移動與結合。」

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