研究人员制造了芯片大小的粒子加速器

斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的科学家首次创造了一种硅芯片，该芯片可以使用红外激光加速电子，以小于头发的宽度传递电子。这种能量提升需要花费微波几英尺的距离。到目前为止，大学科学家一直依靠两英里长的加速器来通过真空管传递电子。微波辐射的爆发以仅比光速低的速度发射电子。电子投射的产物是一束足够强大的光束，可以帮助世界各地的科学家探索有机和无机材料的原子和分子结构。由电气工程师Jelena Vuckovic（最近获得IET AF Harvey工程研究奖）领导的团队在1月3日的《科学》杂志上撰文，解释了它是如何用硅雕刻出纳米级通道，在真空中将其密封并通过该腔发送电子，同时红外光的脉冲通过通道壁传输，以加快电子的运动。

片上加速器原型的一部分。由Neil Sapra提供

片上加速器只是一个原型，其运行速度仅为大型加速器的一小部分，但Vuckovic表示，其设计和制造技术可以按比例放大，以足够快的速度发射粒子束，以进行化学、材料科学和生物学尖端实验而不需要大型加速器的强大功能。沃科维奇说：“最大的加速器就像强大的望远镜一样。” “世界上只有少数几个国家可以做到，科学家必须来到SLAC之类的地方使用它们。我们希望以一种更易于使用的研究工具方式将加速器技术小型化。”该团队表示，它的方法类似于计算的发展，从大型机到较小但仍有用的PC。该论文的合著者罗伯特•拜尔（Robert Byer）认为，片上加速器技术也可能开发出新的癌症放射疗法。当前的医用X射线机太大，充满了整个房间，难以提供集中在肿瘤上的辐射束，而且为了最大程度地减少附带损害，还要求患者佩戴铅罩。

“在芯片国际计划或ACHIP上加速器的领导者Byer说：“在本文中，我们开始展示如何将电子束辐射直接传递给肿瘤，而使健康组织不受影响。当前的研究是其中的一部分。Vuckovic和她的团队在论文中解释了他们如何设计该芯片以通过硅发射红外光脉冲，从而以精确的力矩和角度撞击电子，从而使它们更快地向前加速。为此，他们颠倒了设计过程。在传统的加速器中（例如SLAC的加速器），工程师起草了基本设计，然后运行仿真以物理方式布置微波脉冲串，以实现最大可能的加速。微波从波峰到波谷的距离为4英寸，而红外光的波长仅为人发宽度的十分之一。这种差异是红外光可以在更短距离内加速电子的原因。但这也意味着芯片的物理特性必须比传统加速器的铜结构小100,000倍。Vuckovic的团队使用在她的实验室开发的逆设计算法解决了这个问题。这些算法使团队可以通过指定希望芯片提供多少光能并对该软件执行任务向后工作，并建议如何构建使光子与电子流正确接触所需的正确纳米级结构。

该论文的另一位合著者R. Joel England说：“有时候逆向设计可以提供人类工程师可能不会想到的解决方案。”设计算法提出了一种芯片布局，其中流经通道的电子运行着一根硅线手套。激光每秒发出100,000次脉冲，每个脉冲将一簇光子发送到另一簇电子中，并向前加速。研究小组希望将电子加速到光速的94％，即一百万电子伏特，以产生足以用于研究或医学目的的粒子流。原型芯片仅提供单级加速，需要电子流经过大约1000级才能达到所需的速度。但是，由于Vuckovic的原型是完全集成电路，因此创建加速所需的所有关键功能都直接内置在芯片中。

该小组计划到2020年底增加一千个加速阶段，以达到目标速度。为开发100万电子伏特的加速器，团队成员Olav Solgaard已着手研究可能的抗癌应用。索尔加德（Solgaard）正在研究一种方法，该方法通过将粒子大小的加速器中的高能电子通过导管状真空管传输，该真空管可以插入肿瘤下方、皮肤下方，使用粒子束进行放射治疗手术，以避免潜在的烧伤。Solgaard说：“除了研究应用之外，我们还可以从加速器技术的小型化中获得医学利益。”