به کار گیری ریز تراشه شتاب دهنده ذرات مبتنی بر لیزر در صنعت و پزشکی

به کار گیری ریز تراشه شتاب دهنده ذرات مبتنی بر لیزر در صنعت و پزشکی

https://aemstatic-ww1.azureedge.net/etc/designs/default/0.gif
تصویر یک ریزتراشه شتاب دهنده قرار گرفته در نوک انگشت به همراه تصویر میکروسکوپ الکترونی ریزتراشه.
 
اگر شتاب دهنده های الکترونی به اندازه کافی کوچک و ارزان باشند، نه تنها هر دانشگاه قادر است آزمایشگاه شتاب دهنده خود را داشته باشد، بلکه منابع اشعه ایکس ارزان قیمت برای فرآیندهای فوتولیتوگرافی در صنعت نیمه هادی قابل دسترس می شوند که به تبع می توان اندازه ترانزیستورها در پردازنده های کامپیوتری را کاهش و تراکم مجتمع سازی[1] را افزایش داد. همچنین در مصارف پزشکی، آندوسکوپ های مبتنی بر شتاب دهنده می توانند برای تابش عمیق تومورهای داخل بدن توسط الکترون استفاده شوند.
پروژه بین المللی شتاب دهنده بر روی تراشه[2] (AChIP)، که توسط بنیاد گوردون[3] و بتی مور[4] در ایالات متحده سرمایه گذاری شده است، قصد دارد یک شتاب دهنده الکترونی بر روی تراشه سیلیکانی ایجاد کند. ایده اصلی بر این اساس استوار است که بخشی از قطعات فلزی شتاب دهنده را با شیشه یا سیلیکان جایگزین کرده و به جای مولد مایکروویو از لیزر به عنوان منبع انرژی استفاده کنند.
به دلیل ظرفیت بار الکتریکی بالاتر در شیشه، نرخ شتاب دهی بیشتر می شود و بنابراین می توان مقدار انرژی یکسانی را در فاصله کمتری به ذرات منتقل کرد و اندازه شتاب دهنده را حدود ده مرتبه از شتاب دهنده های معمولی کوتاهتر کرد.  


یکی از چالش ها در این روش این است که کانال خلاء برای الکترون ها در تراشه باید بسیار کوچک باشد، که مستلزم تمرکز بالای پرتو الکترونی است. از آنجایی که کانال های متمرکز کننده مغناطیسی که در شتاب دهنده های معمولی استفاده می شوند برای این امر بسیار ضعیف هستند، روش تمرکز کاملاً جدیدی باید طراحی شود.
 
متمرکز کردن الکترون ها توسط میدان لیزری
در حال حاضر محققین دانشگاه فنی دارمشتات[5]، به رهبری اوو نیدرمایر[6]، از میدان الکترومغناطیسی لیزر برای متمرکز کردن الکترون ها در کانالی با عرض ۴۲۰ نانومتر استفاده می کنند [1]. این مفهوم بر اساس تغییرات ناگهانی فاز الکترون ها نسبت به لیزر است که منجر به تمرکز و واگرایی در دو جهت در صفحه سطح تراشه می شود و پایداری را در هر دو جهت بوجود می آورد.
 
در قسمت عمود بر سطح تراشه، تمرکز ضعیف تری نیاز است و یک مگنت چهار قطبی که کل تراشه را دربرگیرد، می تواند مورد استفاده قرار بگیرد. این مفهوم شبیه به شتاب دهنده خطی متداول است. قابل ذکر است که برای یک شتاب دهنده بر روی تراشه، دینامیک الکترون تغییر کرده و به یک طراحی دو بعدی نیاز است که با استفاده از تکنیک های لیتوگرافی صنعت نیمه هادی قابل تحقق است. 
نیدرمایر در حال حاضر دانشمند مدعو در دانشگاه استنفورد است. این دانشگاه آمریکایی به همراه دانشگاه ارلانگن[7] آلمان پروژه AChIP را هدایت می کنند. در استنفورد، او با دیگر دانشمندان مشغول در پروژه AChIP ، در حال ساخت شتاب دهنده ای هستند که بر روی چیپ قرار می گیرد و در یک محفظه آزمایشگاهی به اندازه جعبه کفش قرار می گیرد. یک سیستم تجاری موجود در بازار که با اپتیک غیرخطی ترکیب شده به عنوان منبع لیزری بکار می رود. هدف پروژه AChIP، که تا سال ۲۰۲۰ نیز تأمین بودجه شده است، تولید الکترون هایی با انرژی یک مگا الکترون ولت (MeV) از تراشه است. هدف دیگر، ایجاد پالس های الکترونی فوق کوتاه (کمتر از 15-10 ثانیه) است که برای طراحی یک شتاب دهنده قابل ارتقاء در دانشگاه دارمشتات مورد نیاز است.
 
 
Reference:
1. Uwe Niedermayeret al., Physical Review Letters (2018); https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.121.214801.
 
Source: https://www.laserfocusworld.com/articles/2018/11/laser-based-microchip-particle-accelerator-can-benefit-industry-and-medicine.html
 

[1] Integration Density
[2] Accelerator on a Chip International Program
[3] Gordon
[4] Betty Moore
[5] Technische Universität (TU) Darmstadt
[6] Uwe Niedermayer
[7] University of Erlangen
 
منبع : www.laserfocusworld.com      1397/12/16 11:57