芯片大小的粒子加速器

　　该图像放大了25,000倍，显示了原型加速器芯片的一部分。此处显示的部分是人头发的宽度的1/10。形状奇特的灰色结构是刻在硅上的纳米级结构，可将通过黄色和紫色显示的红外激光束聚焦在通过中心通道的电子流上。当电子从左向右传播时，聚焦在通道中的光与通过的粒子小心地同步，以使它们以越来越大的速度向前移动。斯坦福大学的研究人员希望通过将1000个这样的加速通道装在一个英寸大小的芯片上，以产生以光速94％的速度移动的电子束，并将这种激发的粒子流用于研究和医学应用。供图：尼尔·萨普拉（Neil Sapra）

　　SLAC国家加速器实验室位于斯坦福大学上方的山坡上，运行着近2英里长的科学仪器。在这种巨大的加速器中，电子流流过真空管，随着微波辐射的爆发将粒子向前推动得越来越快，直到它们的速度接近光速，从而产生了强大的粒子束，世界各地的科学家都可以使用它探测无机或生物材料的原子和分子结构。

　　SLAC国家加速器实验室

　　现在，斯坦福大学和SLAC的科学家们首次制造出了一种硅芯片，该芯片可以使用红外激光来加速电子，宽度小于头发丝的宽度。相对来说微波加速需要数英尺长。

　　由电气工程师耶琳娜·武科维奇（Jelena Vuckovic）领导的团队在1月3日的《科学》杂志上写道，如何从硅中雕刻出纳米级通道，将其密封在真空中，并通过红外光脉冲将电子通过该腔体 - 硅像玻璃一样对可见光是透明的 - 通过通道壁传输以加快电子的运动。

　　《科学》杂志中展示的片上加速器只是一个原型，但武科维奇表示，其设计和制造技术可以扩大规模，以提供足够速度的粒子束，以进行化学、材料科学和生物学发现方面的前沿实验。不需要大型加速器。

　　沃科维奇说：“最大的加速器就像强大的望远镜。世界上只有少数几个，科学家必须到像SLAC这样的地方来使用它们。我们希望以一种更易于使用的研究工具的方式来使加速器技术小型化。”

　　团队成员将他们的方法比喻为计算从大型机发展到较小但计算能力仍然强大的PC。《科学》论文的合著者物理学家罗伯特·拜尔（Robert Byer）说，片上加速器技术也可能导致新的放射疗法。同样，这也是一个大小的问题emc易倍体育官方入口。如今，医用X光机充满了整个房间并发出难以聚焦的辐射，要求佩戴铅罩以最大程度地减少附带损害。

　　片上加速器计划（ACHIP）的领导者拜尔说：“在本文中，我们开始展示如何将电子束辐射直接传递给异常组织，而使健康组织不受影响。当前的研究是其中的一部分。”

　　沃科维奇和第一作者研究生尼尔·萨普拉（Neil Sapra）在他们的论文中解释了该团队如何构建一个芯片，该芯片通过硅发射红外光脉冲，从而在适当的时间和正确的角度撞击电子，从而使它们向前移动。比以前快一点。

　　为此，他们颠倒了设计过程。在传统加速器中，例如SLAC的加速器，工程师通常会草拟基本设计，然后运行仿真以物理方式布置微波脉冲串，以实现最大可能的加速。微波的波长是4英寸，而红外光的波长仅是人发宽度的十分之一。这种差异解释了为什么与微波相比，红外光可以在这么短的距离内加速电子。但这也意味着芯片的物理特性必须是传统加速器中的铜结构的1/100000。这就需要一种基于硅的集成光子学和光刻技术的工程新方法。

　　沃科维奇的团队使用她的实验室开发的逆设计算法解决了该问题。这些算法允许研究人员进行后向工作，方法是指定他们希望芯片提供多少光能，并对软件进行任务分配，并建议如何构建使光子与电子流正确接触所需的正确纳米级结构。

　　“有时候，逆设计可以提供人类工程师可能不会想到的解决方案，” SLAC的科学家，《科学》杂志的合著者R·乔尔·英格兰（R. Joel England）说。

　　该设计算法提出的芯片布局看上去似乎与众不同。想象一下，被硅蚀刻出的被通道隔开的纳米级台面。流经该通道的电子沿着硅丝绞线运行，在关键位置冲破通道壁。每次激光脉冲（每秒100,000次）都会使一束光子击中一束电子，使它们向前加速。在斯坦福大学的团队成员制作的真空密封硅芯片表面上，所有这些事情都发生在小于头发的宽度。

　　研究人员希望将电子加速到光速的94％，即一百万电子伏（1MeV），以产生足以用于研究或医学目的的粒子流。该原型芯片仅提供单级加速，并且电子流将必须通过这些级中的大约1,000级才能达到1MeV。沃科维奇说，但这似乎并不难达到，因为该原型片上加速器是完全集成电路。这意味着创建加速所需的所有关键功能都直接内置在芯片中，并且增加其功能应该相当简单emc易倍体育官方入口。

　　研究人员计划在2020年底之前在大约一英寸的芯片空间中封装1000个加速级，以达到其1MeV目标。尽管这将是一个重要的里程碑，但这种设备的功率仍将与SLAC研究加速器的功能相提并论，后者可产生比1MeV高30,000倍的能量。但是拜尔认为，就像晶体管最终取代电子设备中的真空管一样，基于光的设备有一天将挑战微波驱动加速器。