Сверхкомпактный ускоритель частиц обеспечивает рекордную мощность
В области ускорителей частиц был совершен значительный прорыв: исследователи из Техасского университета в Остине (UT) разработали компактное и сверхэффективное устройство. Это облегчило доступ к технологиям для практического применения в таких областях, как медицинская визуализация и лечение рака.
Ускорители частиц, являющиеся важнейшими инструментами в научных и медицинских исследованиях, сталкиваются с серьезной проблемой: их внушительные размеры и высокая стоимость ограничивают их доступность. Эту проблему собирается решить команда из Техасского университета в Остине, которая разработала компактный ускоритель частиц.
Это устройство, занимающее меньше места и более доступное по цене, может облегчить использование ускорителей частиц в различных областях, от физики частиц до медицины и материаловедения. Работа команды опубликована в журнале .
Впечатляющий технологический скачок
Устройство, названное "усовершенствованным лазерным ускорителем кильватерного поля", представляет собой значительный прогресс в области ускорителей частиц. Его работа основана на инновационном механизме, в котором вспомогательный лазер воздействует на гелий. Затем газ нагревают до тех пор, пока он не превратится в плазму. Эта плазма, в свою очередь, генерирует волны.
Эти волны обладают способностью перемещать электроны со значительной скоростью и энергией, образуя таким образом высокоэнергетический электронный луч. Этот метод отличается от методов, традиционно используемых в более крупных ускорителях частиц, где размер и сложность установок ограничивают их эффективность и доступность.
Хотя впервые этот ускоритель был описан в 1979 году, исследовательская группа из Техасского университета под руководством Бьорна "Мануэля" Хегелича, физика и генерального директора TAU Systems, недавно внесла в него ключевой элемент: использование металлических наночастиц. Эти наночастицы вводятся в плазму и играют решающую роль в увеличении энергии электронов в плазменной волне. В результате электронный луч получается не только более мощным, но и более концентрированным и эффективным.
В пресс-релизе Хегелич приводит удивительную аналогию, объясняющую этот принцип: "Вейксерферы позволяют лодкам или водным мотоциклам уносить себя, чтобы делать то, что они делают на волнах". Он добавляет: "В нашем ускорителе водные мотоциклы эквивалентны наночастицам, которые высвобождают электроны в нужный момент. Мы вводим в волну гораздо больше электронов, когда и где мы хотим, чтобы они находились, вместо того, чтобы статистически распределять их по всему взаимодействию, и это наш секретный соус".
Доступная технология?
Для своего эксперимента исследователи использовали один из самых мощных импульсных лазеров в мире, Техасский петаваттный лазер, расположенный в Университете Техаса. Он излучает импульс сверхинтенсивного света каждый час. Один петаваттный лазерный импульс развивает мощность, примерно в 1000 раз превышающую установленную электрическую мощность в Соединенных Штатах, но доставляется всего в течение 150 фемтосекунд, что составляет менее миллиардной доли длительности удара молнии. Поэтому полная энергия очень мала.
Однако долгосрочная цель — сделать эту систему еще более доступной и практичной. Для этого исследователи разрабатывают более компактный лазер, который можно будет использовать многократно и на гораздо более высокой частоте. Такой лазер в сочетании с компактным ускорителем позволит значительно уменьшить размер, стоимость и сложность необходимого оборудования, что сделает технологию применимой в гораздо более широком и разнообразном диапазоне научных и промышленных контекстов.
Перспективные приложения
Во-первых, этот инновационный ускоритель частиц позволит проверить устойчивость электронных компонентов, предназначенных для космоса, к радиации, что является решающим вопросом для устойчивости и безопасности космических миссий.
Сектор микроэлектроники также может извлечь из этого выгоду, особенно для визуализации сложных трехмерных структур полупроводниковых чипов. Возможность точной визуализации необходима для разработки и проверки конструкций микросхем следующего поколения.
В медицинской сфере акселератор также обещает достижения, особенно в разработке передовых методов медицинской визуализации и инновационных методов лечения рака, предлагая тем самым новые возможности диагностики и лечения. Хегелич и его команда подали заявку на патент на устройство и метод генерации наночастиц (в газовой ячейке). TAU Systems, компания, созданная на базе лаборатории Хегелича, владеет эксклюзивной университетской лицензией на этот основополагающий патент.