小さなシリコンチップを使用した粒子加速器を開発

・研究者は初めて、人間の髪の毛の幅よりも短い距離で電子を加速できる小さなシリコンチップを開発しました。

 

・この技術で、マテリアル科学、化学、生物学において最先端の実験をするのに十分な粒子加速ができます。

 

 

粒子加速器は、電磁場を使用して荷電粒子を高速かつ高エネルギーに推進する巨大な機械です。これらの高エネルギー粒子を使用して、物質、空間、時間の基本構造を研究します。

 

現在、世界中で30,000を超える粒子加速器が稼働しています。科学研究、医学、応用物理学、および産業用加工のさまざまな分野で使用されています。

 

これらの粒子衝突型加速器は、通常数キロメートルの長さの円形トンネルです。 最も一般的な例は、スイスの長さ27キロメートルの大型ハドロン衝突型加速器です。

 

SLAC国立加速器研究所のチームが初めて、人間の髪の毛の幅よりも短い距離で電子を加速できる小さなシリコンチップを開発しました。従来の加速器は、同じ種類のエネルギーを得るために長い距離を必要とします。

 

 

どのように実現したのですか

研究者は、シリコンからナノスケールのチャネルを切り取り、真空中で固定しました。電子は空洞を通過し、赤外線はチャネルを通過することにより電子の速度を速めます。

 

シリコンを介して赤外線パルスを出すことができました。これはちょうど良い角度とタイミングで電子に衝突し、わずかに加速します。

 

 

しかし、従来の粒子加速器はマイクロ波を使用しているのに、なぜ研究者は赤外線を使用したのでしょうか。シリコンは赤外線に対して透明ですが、ガラスは可視光に対して透明です。したがって、赤外線はマイクロ波よりも多くのエネルギーを電子に供給します。

 

これは単なるプロトタイプにすぎません。目標は、加速器技術を小型化することにより、よりアクセスしやすい研究ツールを開発することです。

 

コンピューティングがメインフレームからデスクトップPCに進化したように、粒子加速器は小さなシリコンチップに圧縮できます。この技術は、マテリアル科学、化学、生物学の最先端の実験を行うのに十分な粒子加速ができます。

 

研究者は、この研究がどのように新しい癌放射線療法につながるを証明しました。既存の大型X線装置は、腫瘍に焦点を合わせるのが難しい電子放射を利用します。そのため、患者は副次的損傷を最小限に抑えるためにシールドを着用しなければなりません。新しい技術は、健康な組織に影響を与えることなく、腫瘍に直接放射線を当てることができます。

 

 

次は何を目指しますか

チームは、これらの粒子を科学研究に使用できるよう、100万電子ボルト（1 MeV）または光速の94％にすることを目指しています。

 

この研究で開発されたシリコンチップは、加速の初期段階をクリアしたにすぎません。1 MeVを達成するには、電子は約1000の段階をふむ必要があります。

 

チップは効率的な技術を使用して設計および製造されているため、その能力を高めることは比較的簡単です。チームは現在、数千個の加速段階を1インチのチップに統合するよう取り組んでいます。

 

この取り組みにより目標に1歩近づくことができますが、それらのチップは1 MeVよりも30,000倍高いエネルギーレベルを生成できる従来の粒子加速器と比べるとまだまだです。

 

しかし、研究者たちは、電子トランジスタが最終的に真空管に取って代わったように、赤外線ベースの機器はいつかマイクロ波ベースの加速器と同じ性能を持つと信じています。