Moore Foundationは、スタンフォード大学に「Accelerator onaChip」の構築に1350万ドルを提供

accelerators 物理 理科
2020-11-29 00:54.

今日の粒子加速器は巨大な機械ですが、物理学者は何年もの間それらを卓上スケールに縮小することに取り組んできました。ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団は、ちょうど$ 13.5百万助成金を授与作業「チップ上のアクセラレータ」今後5年間で靴箱のサイズを開発するためにスタンフォード大学に。

国際協力は、SLAC /スタンフォードとドイツのフリードリッヒアレクサンダー大学(エアランゲン-ニュルンベルク)の物理学者による以前の実験に基づいて構築されます。成功すれば、プロトタイプは、実験室のベンチに収まる新世代のコンパクトな粒子加速器の先駆けとなり、医療、X線イメージング、さらにはセキュリティスキャナー技術にも応用できる可能性があります。

SLAC国立加速器研究所の物理学者であるジョエルイングランド氏はギズモードに、「マイクロチップ業界がコンピューターに対して行ったことを粒子加速器に対して行う」という考えだと語った。かさばる真空管技術に依存していたとき、コンピューターは部屋全体を埋め戻していました。トランジスタの発明とその後のマイクロチップの開発により、コンピュータをラップトップや携帯電話のスケールにまで縮小することが可能になりました。イングランドは、「放射線の問題があるので、おそらく手に持ったくない」とはいえ、ハンドヘルド粒子加速器を構築できるかもしれない日を想定しています。

卓上アクセラレータを構築するには、複数の概念的なアプローチがあります。最初のものはプラズマ航跡場加速として知られており、今日のフルサイズの粒子加速器の2マイルと比較して、電子を数センチメートルにわたって非常に高いエネルギーに加速することができます。科学者は、プラズマ(イオン化ガスの雲)にレーザー光の強力で短いパルスを発射することにより、プラズマを波打つ波を作成し、湖を横切って走るスピードボートが解き放たれるように、荷電粒子の束を後流に残すことができます。その経路の水の航跡。さらに多くの電子をプラズマに押し込む2番目のレーザーを追加すると、それらはその航跡を「サーフィン」し、航跡場からエネルギーを引き出すことによってより高速になります。

アクセラレータオンチップアプローチもレーザーを採用していますが、真空中で動作します。プラズマ航跡場の概念はイオン化ガスを使用して構造を提供しますが、レーザー加速器は誘電体であるある種の光学材料から1つを構築します。絶縁体として機能し、伝導せずに電気力を伝達します。2013自然紙は、米粒よりも小さく、ナノ構造化シリカガラスチップを介して電子を加速するためにレーザを使用する成功したプロトタイプ記載わずか12インチの長さを。これらの実験は、電子をほぼ光速まで加速することに成功し、SLAC独自の線形加速器より10倍高い速度を達成しました。

それはすべて、人間の髪の毛の太さの1/200未満の小さなチャネル内で発生します。レーザー光(この場合、赤外線領域)には、前後に振動する電界があり、電子が加速する場合は、電気力を遅らせるよりも正の電気力に遭遇する必要があります。物理学者は、チャネルの壁に隆起とギャップのナノスケールパターンをエッチングすることによってこれを達成しました。これにより、リッジ内の電界が増加し、ギャップ内の電界が減少するため、エネルギーブーストによってリッジを通過する電子が証明されます。彼らは小さなギャップを通過するだけで少しのエネルギーを失うので、彼らはエネルギーを得ることになります。

同年こと、ピーターHommelhoff率いるドイツの物理学者が、中に彼らの実験の結果を発表したフィジカルレビューレター。彼らは、最初に電子を光速近くまでブーストすることなく、同様の結果を達成しました。まとめると、これら2つの実験は、この概念が非常に実現可能であり、さらなる開発に向けて熟していることを示しました。

イギリスによれば、アイデアは、加速器の個々のステージが単一のシリコンウェーハ上に製造され、既存の微細加工技術を使用してすべてを製造できるというものです。それらのいくつかを連続して積み重ねると、従来の加速器が一連の金属空洞を使用するのと同じように、ますます高いエネルギーに移行することが可能になります。より多くのエネルギーが必要なほど、より多くのそのような構造が必要になります。「しかし、私たちの最初の目標は、すべてのコンポーネントを開発し、単一のウェーハ上で単一の製造ステップを使用してそれらを統合する方法を理解することです」と彼は言いました。

「チップは最も重要な要素ですが、機能する加速器はこのコンポーネントだけではありません」と、Hommelhoff(英国とともに共同研究の共同主任研究員)はプレスリリースで述べています。「私たちは主な課題が何であるかを知っており、それらを解決する方法をまだ知りません。しかし、科学者として、私たちはこの種の挑戦に成功しています。」

参照

ブロイアー、ジョンとオメルホフ、ピーター。(2013)「誘電体構造での非相対論的電子のレーザーベースの加速」、Physical Review Letters 111:134803。

Goers、AJ etal。(2015)「サブテラワットレーザーパルスによるMulti-MeV電子加速」、Physical Review Letters115 (19)。

Litos、etal。(2014)「プラズマ航跡場加速器における電子ビームの高効率加速」、Nature 515:92-95。

ペラルタ、EA。(2013)「レーザー駆動誘電体微細構造における電子加速のデモンストレーション」、Nature 503:91-94。

上の画像:SLAC国立加速器研究所。下の画像:Andrew Ceballos / StanfordとChunghunLee / SLAC。

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