Исследователи из Стэнфордского университета разработали и создали крохотный ускоритель электронов, который может быть собран в корпусе размером с коробку из-под обуви. Когда они заменят мегадороги ускорители для передовых исследований в физике и внесут кардинальные изменения в медицинское обслуживание, промышленность и даже повседневную жизнь.
Исследователи показали, что кремниевый диэлектрический лазерный ускоритель (DLA) способен как ускорять, так и направлять электроны, создавая сфокусированный пучок электронов высокой энергии. «Если бы электроны были микроскопическими автомобилями, мы будто бы впервые сели за руль и нажали на газ», — объяснила 23-летняя Пейтон Броддус (Payton Broaddus), кандидат наук в области электротехники и ведущий автор статьи, опубликованной 23 февраля с подробным описанием прорыва в журнале Physical Review Letters.
Сегодня ускорители частиц не отличаются компактностью, начинаясь от размеров с приличным рабочим столом и заканчивая Большим адронным коллайдером с кольцом протяженностью почти 27 км. Это дорогостоящие научные приборы, которые полноценно могут использовать в основном академические ученые. Создание компактных и относительно недорогих или недорогих ускорителей позволит применять в медицине для детальной визуализации внутренних тканей органов человека и для лечения опухолей. Ускорители помогут с анализом материалов, веществ и неразрушающим контролем качества. Наконец-то появятся приборы, которые по-настоящему показывают нитратный и даже молекулярный состав купленных в магазине фруктов и овощей.
Около 10 лет назад исследователи из Стэнфорда начали экспериментировать с наноразмерными структурами, изготовленными из кремния и стекла, без деформаций выдерживавших большие перепады температур чем металлические части ускорителей. В 2013 году был создан прототип крохотного ускорителя из стекла на основе импульсных инфракрасных лазеров, успешно разгоняющих электроны. Под эту разработку Фонд Гордона и Бетти Мур в рамках международного сотрудничества Accelerator on Achip (ACHIP) выделили средства на создание мегаэлектронвольтного ускорителя размером с обувную коробку.
В результате исследований была разработана микроструктура, которая оказалась способна фокусировать пучок электронов в двух плоскостях, ускоряя и направляя их вдоль горизонтальной плоскости. Электроны вводятся с одной стороны субмиллиметрового трека, а с обоих его концов происходит импульсное освещение лазерами. Предложенное решение позволило предоставить электронам дополнительно 25% энергии – ускорить их до 23,7 кэВ. Это ускорение сравнимо с возможностями классических настольных ускорителей, но реализовано в «коробки из-под обуви».
Дальнейшее усовершенствование схемы позволит поднять энергию ускорения до запланированного уровня 1 МэВ. Каскад таких ускорителей или использование на начальном этапе других схем, например этой, созданной коллегами из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене и Нюрнберге (FAU), позволит производить компактные усилители с разгоном электронов до субсветовых скоростей. Но это работа для далекого будущего. Сейчас в этом направлении сделаны хоть и успешные, но только первые шаги.
Если вы заметили ошибку, выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.