科學家製造出微型粒子加速器原型,比頭髮寬度還小

作者 | 發布日期 2020 年 01 月 03 日 16:11 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料、設備 follow us in feedly


大家最熟悉的粒子加速器設備不外乎大型強子對撞機,能加速粒子並使其獲得極高能量,然而這部儀器圓周長達 27 公里、占地面積極廣。現在,史丹佛大學團隊製造出一種比頭髮寬度還要小的「微型」粒子加速器,未來有望將電子加速到光速 94%,產生約 1MeV 能量,並應用在癌症放射療法中。

大型強子對撞機(LHC)是目前世上最大的粒子加速器設施,研究目的為尋找暗物質、分析希格斯機制、精確測量希格斯玻色子質量、研究夸克-膠子電漿體等,前陣子還發現第 3 種「五夸克粒子」,不斷充實粒子物理學架構。

除了大型強子對撞機這種環形加速器,位於史丹佛大學內的美國 SLAC 國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)則擁有一個長約 3.2 公里的線形加速器,電子流在這種巨大加速器中經過真空管,隨著微波輻射爆發加速粒子直到它們接近光速、進而產生強大光束,世界各地科學家都可以利用它來探測無機/生物材料的原子與分子結構。

但我們可能擁有掌上型粒子加速器嗎?由史丹佛大學電機工程學教授 Jelena Vuckovic 領導的團隊,最近就製造出結合在矽晶片上的微型粒子加速器:在矽中刻出奈米通道,然後利用紅外雷射光在適當時間和正確角度下撞擊電子,進而推動、加速電子傳遞。

目前團隊展示的加速器只是初步原型,但比起世上少數幾個強大的大型加速器,這種微型設備更易於攜帶,雖然整體產生能量和大型強子對撞機不能相提並論(後者可產生比微型粒子加速器高 30,000 倍的能量),但至少在醫療方面有機會改善現有癌症放射療法:目前的醫用 X 射線設備輻射會充斥整個房間,除了難以聚焦在腫瘤上,患者也需要另外穿著防輻鉛衣減少損害。

研究共同作者 Olav Solgaard 對此正在研究其他方法,比如先將一條真空管插入腫瘤患處旁,然後引導晶片微型加速器產生的粒子束進行放射療法。

研究人員希望最終可以將電子速度加速到光速的 94%、能量約 1MeV,但這至少需要集成 1,000 個微型粒子加速器才能達到。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:史丹佛大學

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