斯坦福大學_斯坦福大學的研究人員將粒子加速器小型化以安裝在硅芯片上

該圖像放大25000倍，顯示了芯片上原型加速器的一部分。這里顯示的部分是人類寬度的十分之一。奇怪形狀的灰色結構是雕刻在硅上的納米尺寸特征，其將黃色和紫色的紅外激光脈沖聚焦在通過中心通道的電子流上。當電子從左向右行進時，聚焦在通道中的光與通過的粒子仔細同步，以更大和更大的速度向前移動。斯坦福大學的研究人員希望通過將1000個這些加速通道包裝到一英寸大小的芯片上，創造一種以94%的光速移動的電子束，并將這種通電的粒子流用于研究和醫學應用。信用：Neil Sapra

斯坦福大學的研究人員建立了一種適合芯片的粒子加速器，使現在可以在研究和醫學領域找到新應用的技術小型化。

就像工程師曾經將房間大小的主干的一些功率壓縮到臺式PC中一樣，斯坦福大學的研究人員也展示了如何將當今ginormous粒子加速器提供的一些沖頭打包到一個微小的硅芯片上。

在斯坦福大學上方的一個山丘上，SLAC國家加速器實驗室運行一臺近2英里長的科學儀器。在這個巨型加速器中，電子流流過真空管，因為微波輻射的爆發使粒子更快地向前移動，直到它們的速度接近光速，創造一種強大的光束，世界各地的科學家可以利用它來探測無機和生物材料的原子和分子結構。

現在，斯坦福大學和SLAC的斯坦福大學科學家們首次使用紅外線l創建了一種硅芯片，可以加速電子-盡管速度是大型儀器速度的一小部分）在不到頭發寬度的范圍內提供一種能量提升，可以使微波達到許多英尺。

寫作于2019年1月3日，題為Science，由電氣工程師Jelena Vuckovic領導的團隊解釋了他們如何用硅雕刻納米級通道，將其密封在真空中并通過該腔發送電子，同時通過通道壁傳輸紅外光脈沖（硅對玻璃的透明性與對可見光的透明性一樣）。

Science中演示的片上加速器只是一個原型，但Vuckovic表示，其設計和制造技術可以擴大規模，以提供加速到足以在化學領域進行尖端實驗的粒子束，不需要大規模加速器功能的材料科學和生物學發現。

“最大的加速器就像強大的望遠鏡。Vuckovic說，世界上只有少數，科學家必須來到像SLAC這樣的地方使用它們?！拔覀兿Ｍ砸环N更容易獲得的研究工具的方式使加速器技術小型化?！?/p>

團隊成員將他們的方法比作從主機演變為更小但仍然有用的PC的計算方式。片上加速器技術也可能導致新的癌癥放射療法，物理學家Robert Byer說，Science論文的共同作者。再次，這是一個尺寸問題。今天，醫療X射線機填滿一個房間，并提供一束難以集中在腫瘤上的輻射，要求患者佩戴鉛護罩，以盡量減少附帶損傷。

“在本文中，我們開始展示如何將電子束輻射直接傳遞到腫瘤，使健康組織不受影響，”領導芯片國際項目加速器的Byer說，這是一項更廣泛的工作，目前的研究是其中的一部分。

為了實現這一目標，他們將設計過程顛倒了。在傳統的加速器中，如SLAC的加速器，工程師通常會起草一個基本設計，然后運行模擬來物理安排微波爆發以提供最大的加速度。但是微波從峰到谷測量4英寸，而紅外光的波長是人發寬度的十分之一。這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外光可以在如此短的距離內加速電子。但這也意味著該芯片的物理特性必須比傳統加速器中的銅結構小100000倍。這需要一種基于硅集成光子學和光刻技術的新工程方法。

Vuckovic的團隊使用她的實驗室開發的反向設計算法解決了這個問題。這些算法允許研究人員向后工作，通過指定他們希望芯片提供多少光能，并要求軟件建議如何構建正確的納米級結構，以使光子與電子流正確接觸。

“有時，逆向設計可以產生人類工程師可能沒有想到的解決方案，”SLAC工作科學家兼Science論文的共同作者R.Joel England說。

設計算法提出了一種幾乎與其他世界相似的芯片布局。想象一下由通道隔開的納米級臺面，從硅中蝕刻出來。流過通道的電子運行一條硅線的門架，在關鍵位置刺穿峽谷壁。每次激光脈沖-每秒做100000次-一系列光子撞擊一束電子，accel向前邁進。所有這些都發生在斯坦福大學團隊成員制造的真空密封硅芯片表面不到頭發寬度的情況下。

研究人員希望將電子加速到光速的94%，即100萬電子伏特（1MeV），以產生足夠強大的粒子流，用于研究或醫療目的。該原型芯片僅提供單個加速階段，并且電子流必須通過這些階段中的約1000個才能實現1MeV。Vuckovic說，這似乎并不令人望而生畏，因為這種片上加速器原型是一個完全集成的電路。這意味著創建加速所需的所有關鍵功能都內置在芯片中，提高其功能應該相當簡單斯坦福大學。

研究人員計劃到2020年底將一千個加速階段打包到大約一英寸的芯片空間中，以達到他們的1MeV目標。雖然這將是一個重要的里程碑，但除了SLAC研究加速器的功能外，這種設備的功率仍然很弱，它可以產生超過1MeV的30000倍的能量水平。但Byer認為，正如晶體管最終取代電子產品中的真空管一樣，基于光的器件有朝一日會挑戰微波驅動加速器的功能。

同時，為了在芯片上開發1MeV加速器，本文的合著者電氣工程師Olav Solgaard已經開始研究可能的抗癌應用。今天，高能量電子不用于放射治療，因為它們會燒傷皮膚。Solgaard正在努力通過導管式真空管將芯片大小的加速器中的高能電子引導至皮膚下方，緊鄰腫瘤，使用粒子束進行外科放射治療。

“我們可以從Miniature獲得醫療福利Solgaard說。

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Jelena Vuckovic是Jensen Huang全球領導教授和電氣工程教授，也是Stanford Bio-X和Wu Tsai神經科學研究所的電子成員。Robert Byer是William R.Kenan，Jr.教授，光子科學和應用物理教授，斯坦福生物X.Olav Solgaard成員。Olav Solgaard是電氣工程教授，斯坦福生物X和Wu Tsai神經科學研究所，是Precourt能源研究所和斯坦福伍茲研究所的附屬機構為環境。其他作者是博士后學者Kiyoul Yang，Dries Vercruysse，高級研究工程師Kenneth Leedle，研究生Dylan Black，Logan Su，Rahul Trivedi和Yu Miao。

作者感謝Gordon和Betty Moore基金會，納米和量子科學與工程博士后獎學金，歐盟地平線2020研究與創新計劃，Kailath研究生獎學金，斯坦福納米共享設施，斯坦福納米加工設施，國家科學基金會和美國能源部。