Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda i SLAC National Accelerator Laboratory stworzyli pierwszy na świecie akcelerator cząstek na chipie. Za pomocą podczerwonego lasera na długości ułamka średnicy ludzkiego włosa można nadać energię cząstkom, którą  mikrofale nadają im na przestrzeni wielu metrów.

Akcelerator na chipie to prototyp, ale profesor Jelena Vuckovic, która kierowała zespołem badawczym, mówi, że zarówno projekt jak i techniki produkcyjne, można skalować tak, by uzyskać strumienie cząstek o energiach wystarczających do prowadzenia zaawansowanych eksperymentów chemicznych, biologicznych czy z nauk materiałowych. Akcelerator na chipie przyda się wszędzie tam, gdzie nie są wymagane najwyższe dostępne energie.

Największe akceleratory są jak potężne teleskopy. Na świecie jest ich tylko kilka i naukowcy muszą przyjeżdżać do takich miejsc jak SLAC by prowadzić eksperymenty. Chcemy zminiaturyzować technologię akceleratorów, by stała się ona bardziej dostępnym narzędziem naukowym, wyjaśnia.

Uczeni porównują swoje osiągnięcie do przejścia od potężnych mainframe’ów do posiadających mniejszą moc obliczeniową, ale wciąż użytecznych, pecetów. Fizyk Robert Byer mówi, że technologia accelerator-on-a-chip może doprowadzić do rozwoju nowych metod radioterapii nowotworów. Obecnie maszyny do radioterapii do wielkie urządzenia emitujące promieniowanie na tyle silne, że może ono szkodzić zdrowym tkankom. W naszym artykule stwierdzamy, że może być możliwe skierowanie strumienia cząstek precyzyjnie na guza, bez szkodzenia zdrowym tkankom, mówi uczony.

Akcelerator na chipie powiększony 25 000 razy. Szare struktury skupiają światło podczerwone na elektronach znajdujących się centralnym kanale. Upakowanie 1000 kanałów pozwoli na nadanie elektronom prędkości 94% prędkości światła, © SLAC, Uniwersytet Stanforda

Za każdym razem, gdy laser emituje impuls – a robi to 100 000 razy na sekundę – fotony uderzają w elektrony i je przyspieszają. Wszystko to ma miejsce na przestrzeni krótszej niż średnica ludzkiego włosa.

Celem grupy Vukovic jest przyspieszenie elektronów do 94% prędkości światła, czyli nadanie im energii rzędu 1 MeV (milion elektronowoltów). W ten sposób otrzymamy przepływ cząstek o energii na tyle dużej, że będzie je można wykorzystać w medycynie czy badaniach naukowych.

Stworzony obecnie prototyp układu zawiera 1 kanał przyspieszający. Do nadania energii 1 MeV potrzebnych będzie tysiąc takich kanałów. I, wbrew pozorom, będzie to prostsze niż się wydaje. Jako, że mamy tutaj w pełni zintegrowany układ scalony, znajdują się już w nim wszystkie elementy potrzebne do wykonania zadania. Vukovic twierdzi że do końca bieżącego roku powstanie chip w którym elektrony zyskają energię 1 MeV. Będzie on miał długość około 2,5 centymetra.

Inżynier Olav Solgaard nie czeka na ukończenie prac nad chipem. Już teraz zastanawia się nad wykorzystaniem go w onkologii. Obecnie wysokoenergetyczne elektrony nie są używane w radioterapii, gdyż doprowadziłyby do oparzeń skóry. Dlatego też Solgaard pracuje rodzajem lampy elektronowej, którą wprowadzałoby się chirurgicznie w pobliże guza i traktowało chorą tkankę strumieniem elektronów generowanych przez akcelerator na chipie.

Warto w tym miejscu przypomnieć o rewolucyjnym laserze BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator). To najpotężniejszy kompaktowy akcelerator na świecie. Na przestrzeni 1 metra nadaje on cząstkom energie liczone w gigaelektronowoltach (GeV).

 

Berkeley Lab Laser Accelerator

20 lipca, w Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) uruchomiono  BELLĘ – Berkeley Lab Laser Accelerator. To laser, który generuje 1-petawatowe impulsy, zatem dostarczana przezeń moc jest około 400-krotnie większa niż moc wszystkich elektrowni świata. Impulsy są niezwykle krótkie, trwają zaledwie 40 femtosekund, 0,00000000000004 sekundy. Jednak to nie moc czy czas trwania impulsów są najbardziej interesujące. Już w przeszłości uruchamiano równie potężne lasery. Na przykład Texas Petawatt Laser, należący do University of Texas, już w roku 2008 wygenerował impuls o mocy 1,1 petawata.

BELLA jest jednak wyjątkowy. To pierwszy tak potężny laser, który pracuje z częstotliwością 1 herca. Zatem impulsy generuje on co sekundę. Wspominany laser z Teksasu może osiągnąć pełną moc impulsu raz na godzinę.

Wyjątkowy laser zostanie wykorzystany do wyjątkowych celów. Dzięki niemu powstanie niewielki akcelerator cząstek napędzanych właśnie impulsami lasera. BELLA będzie wyjątkowym narzędziem, które pozwoli na postęp w fizyce laserów i oddziaływania materii. Dzięki jego mocy dostaniemy do dyspozycji nowe narzędzia pracy, takie jak kompaktowe akceleratory cząstek czy stołowy laser pozwalający na badanie materiałów i systemów biologicznych. Wysoka częstotliwość pracy pozwoli nam na swobodniejsze prowadzenie badań, gdyż będziemy mogli wielokrotnie powtarzać eksperymenty w rozsądnym czasie – powiedział Wim Leemans z Wydziału Badań nad Akceleratorami i Fuzją Lawrence Berkeley Laboratory.

Powstanie urządzenia BELLA było możliwe dzięki prowadzonym w LBL przez lata badaniom nad laserowymi akceleratorami plazmowymi. Standardowe akceleratory – takie jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) – przyspieszają cząstki dzięki modulowanemu polu elektrycznemu. Laserowe akceleratory plazmowe wykorzystują wysyłane przez siebie impulsy do napędzania fal elektronów poruszających się w plazmie. Takie fale przechwytują wolne elektrony z plazmy i na bardzo krótkim dystansie nadają im olbrzymią energię.

Dzięki pracom w LBL już w roku 2004 poinformowano o stworzeniu pierwszej wiązki o wysokiej jakości i energii 100 MeV. Dwa lata później w szafirowym bloku o długości 3,3 centymetra osiągnięto 1 GeV. Wkrótce potem zaczęto planować budowę lasera BELLA.

Będzie on pierwszym laserowym akceleratorem plazmowym, który osiągnie energię 10 GeV. To zaledwie pięciokrotnie mniej niż znany Stanford Linear Accelerator, który liczy sobie ponad 3 kilometry długości. Długość akceleratora BELLA to zaledwie 1 metr.

 

 

ŹródłoStanford University,  Lawrence Berkeley National Laboratory, nanotechnologyworld.org