Исследователям впервые удалось ускорить электроны с помощью наноустройства.
Ускорители частиц являются важнейшими инструментами в самых разных областях промышленности, исследований и медицины. Пространство, необходимое этим машинам, варьируется от нескольких квадратных метров до крупных исследовательских центров. Использование лазеров для ускорения электронов внутри фотонной наноструктуры представляет собой микроскопическую альтернативу, потенциально позволяющую значительно снизить затраты и сделать устройства значительно менее громоздкими.
До сих пор не было продемонстрировано никакого существенного выигрыша в энергетике. Другими словами, не было показано, что скорость электронов действительно значительно увеличилась. Команде лазерных физиков из Университета Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг (FAU) удалось продемонстрировать первый нанофотонный ускоритель электронов – одновременно с коллегами из Стэнфордского университета.
Ускорители частиц и их нанофотонная эволюция
Когда люди слышат слово «ускоритель частиц», большинство, вероятно, думают о Большом адронном коллайдере ЦЕРН в Женеве, кольцеобразном туннеле длиной около 27 километров, который исследователи со всего мира использовали для проведения исследований неизвестных элементарных частиц. Однако такие огромные ускорители частиц являются исключением. Мы с большей вероятностью столкнемся с ними в других местах нашей повседневной жизни, например, при процедурах медицинской визуализации или во время облучения для лечения опухолей. Однако даже в этом случае устройства имеют размер несколько метров и все еще довольно громоздки, и есть возможности для улучшения производительности.
Стремясь улучшить и уменьшить размеры существующих устройств, физики всего мира работают над диэлектрическим лазерным ускорением, также известным как нанофотонные ускорители. Структуры, которые они используют, имеют длину всего 0,5 миллиметра, а ширина канала, по которому ускоряются электроны, составляет всего примерно 225 нанометров, что делает эти ускорители такими же маленькими, как компьютерный чип.
Частицы ускоряются ультракороткими лазерными импульсами, освещающими наноструктуры. «Приложение мечты — разместить ускоритель частиц на эндоскопе, чтобы иметь возможность проводить лучевую терапию непосредственно в пораженном участке тела», — объясняет доктор Томаш Хлоуба, один из четырех ведущих авторов недавно опубликованной статьи.
Эта мечта, возможно, все еще находится далеко за пределами досягаемости команды FAU с кафедры лазерной физики, возглавляемой профессором доктором Петером Хоммельхоффом и состоящей из доктора Томаша Хлоубы, доктора Роя Шило, Стефани Краус, Леона Брюкнера и Юлиана Литцеля, но теперь им удалось сделать решающий шаг в правильном направлении, продемонстрировав нанофотонный ускоритель электронов. «Впервые мы действительно можем говорить об ускорителе частиц на чипе», — с энтузиазмом говорит доктор Рой Шайло.
Ведущие электроны + Ускорение = Ускоритель частиц
Чуть более двух лет назад команда совершила свой первый крупный прорыв : им удалось использовать метод фазовой фокусировки (APF), использовавшийся на заре теории ускорения, для управления потоком электронов в вакуумном канале на большие расстояния. Это был первый крупный шаг на пути к созданию ускорителя частиц. Теперь все, что было необходимо для получения большого количества энергии, — это ускорение.
«Используя эту технику, нам теперь удалось не только направлять электроны, но и ускорять их в этих наноструктурах длиной полмиллиметра», — объясняет Стефани Краус. Хотя многим это может показаться не таким уж большим достижением, это огромный успех в области физики ускорителей. «Мы получили энергию в 12 килоэлектронвольт. Это 43-процентный прирост энергии», — объясняет Леон Брюкнер.
Чтобы ускорить частицы на такие большие расстояния (если смотреть в наномасштабе ) , физики ФАУ объединили метод APF со специально разработанными геометрическими структурами в форме столбов.
Однако эта демонстрация — только начало. Теперь цель состоит в том, чтобы увеличить выигрыш в энергии и токе электронов до такой степени, чтобы ускорителя частиц на чипе было достаточно для применения в медицине. Для этого выигрыш в энергии должен был бы быть увеличен примерно в 100 раз. «Чтобы добиться более высоких токов электронов при более высоких энергиях на выходе структуры, нам придется расширить структуры или разместить несколько каналов рядом друг с другом», — объясняет Томаш Хлоуба следующие шаги лазерных физиков FAU.
Глобальное стремление к миниатюризации
То, что удалось эрлангенским лазерным физикам, почти одновременно продемонстрировали коллеги из Стэнфордского университета в США: их результаты в настоящее время находятся на рассмотрении, но их можно просмотреть в репозитории. Обе команды вместе работают над реализацией «Ускорителя на чипе» в рамках проекта, финансируемого Фондом Гордона и Бетти Мур.
«В 2015 году команда ACHIP под руководством FAU и Стэнфорда разработала концепцию революционного подхода к проектированию ускорителей частиц, — сказал доктор Гэри Гринбург из Фонда Гордона и Бетти Мур, — и мы рады, что наша поддержка помогла превратить это видение в реальность».
No comments:
Post a Comment