Лазерный электронный ускоритель на микрочипе

Ускоритель на микрочипе

27 ноября 2018 года — Инженеры-электрики из отделения физики ускорителей Технического университета Дармштадта разработали концепцию лазерного электронного ускорителя, такого крошечного, что его можно разместить на кремниевом чипе. При этом, он недорог и универсален.

Ускорители частиц обычно крупные и дорогие. Теперь это можно изменить. Программа AChiP (ускоритель на Чипе) финансируемая американским фондом Гордона и Бетти Мура, задалась целью создания электронного ускорителя на кремниевом чипе. Основная идея заключается в замене металлической структуры ускорителя на стекло или кремний и — в использовании лазера как источника энергии вместо микроволнового генератора. Высокая электроёмкость нагрузки стекла может увеличить скорость ускорения и — в результате — передать эту энергию частицам на коротком расстоянии, примерно, в 10 раз короче, чем традиционные ускорители с той же энергией.
Вызовом здесь является очень узкий вакуумный канал для электронов на чипе, требуя очень точной фокусировки электронного луча. Магнитная фокусировка каналов, используемая в обычных ускорителях, слишком слабая для этой цели. Это означает, что полностью новая фокусировка должна быть создана для ускорителя на чипе.
Найденное решение

Учёные: д-р Уве Нидермайер (в центре) со своими коллегами: д-ром Кеном Лидломом (слева) и Диланом Блекомом из Стэнфорда у экспериментальной камеры ускорителя на чипе в Стенфордском университете.

Как часть научных исследований материи и радиации, группа AChIP по физике ускорителя (на факультете инженеров-электриков и информационной технологии ТУ Дармштадта), возглавляемая молодым учёным д-ром Уве Нейдермайером, предложила недавно креативное решение, направленное на использование самого лазера на фокусировку электронов в канале шириной всего лишь 420 нм. Концепция базируется на резком изменении фазы электроном относительно лазера, приводя к альтернативной фокусировке и расфокусировке в двух плоскостных направлениях по поверхности чипа. Это даёт стабильность в обоих направлениях. Концепция может быть сравнена с мячом в седле — мяч будет падать, несмотря на направление, в котором поворачивается седло. Тем не менее, постоянное вращение седла означает, что мяч останется на месте в седле. Электроны в канале на чипе делают тоже самое.

Перпендикулярной к поверхности чипа слабой фокусировки достаточно, и можно использовать простой квадрупольный магнит, охватывающий чип. Эта концепция похожа на стандартный линейный ускоритель. Поэтому, для ускорителя на чипе динамика электронов меняется, создавая двумерный рисунок, реализуемый используя технику литографии в полупроводниковой промышленности.

Г-н Нейдермайер посещает школу докторов Стенфордского университета, возглавляющего программу AChIP совместно с университетом Эрлангена в Германии. В Стенфорде, взаимодействуя с другими учёными, создаётся ускоритель на чипе в экспериментальной камере размером с обувную коробку. Как лазерный источник, используется коммерческая, доступная установка, адаптированная с помощью сложной нелинейной оптики. Задача программы AChIP, заканчивающейся в 2020 году, получить электроны на чипе с энергией 1 МэВ. Это примерно равно напряжению одного миллиона батарей. Дополнительной целью является создание ультракоротких электронных импульсов, как требует конструкция ускорителя на чипе, разработанная в Дармштадте.
Использование в промышленности и медицине.

Возможное использование для ускорителя это — промышленность и медицина. Важная долговременная задача — создать компактный, когерентный источник рентгеновского излучения для описания материалов. Одним из примеров в медицине должен быть ускоритель-эндоскоп, который может быть использован для облучения электронами опухоли глубоко внутри тела.

Особое преимущество этой новой технологии ускорения в том, что чипы могут производиться недорого и в больших количествах, становясь доступными для каждого человека с улицы, а каждый университет может позволить себе собственный лабораторный ускоритель. Дополнительными возможностями может быть использование недорогого когерентного источника рентгеновских лучей в процессах литографии полупроводниковой промышленности, уменьшая размер транзистора в процессорах компьютера, наряду с большей степенью плотности интеграции.

***********************
Компания «БалтМедиа Партнёр» ООО в коммерческом партнёрстве с коллегами помогает
внедрению и освоению эффективной техники на российском рынке производителей электроники.
По вопросам, связанным с производством электронной продукции, просьба использовать контакт:
Санкт-Петербург, Таллиннское шоссе, д.206
Тел. +7 (921) 895−14−22
Электронная почта: office@bmptek.ru
Управляющий проекта — Алексей Леонов