斯坦福大学的研究人员将粒子加速器小型化以适合硅芯片

该图像放大了25,000倍，显示了原型加速器片上的一部分。此处显示的部分是人的宽度的十分之一。形状奇特的灰色结构是刻在硅上的纳米级特征，可将黄色和紫色所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这些加速通道中的1,000个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。

斯坦福大学的研究人员制造了一种可安装在芯片上的粒子加速器，从而使一项技术得以小型化，该技术现在可以在研究和医学领域找到新的应用。

就像工程师曾经将一些大型主机的功能压缩到台式PC一样，斯坦福大学的研究人员也展示了如何将当今巨大粒子加速器提供的一些功能打包到一个微小的硅芯片上。

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为止，从而产生了强大的光束，世界各地的科学家都用它来探测无机和生物材料的原子和分子结构。

现在，斯坦福大学和SLAC的科学家们首次创建了一种硅芯片，该芯片可以加速电子（尽管速度只是大型仪器的一小部分），它可以使用红外激光以不到头发宽度的速度发射电子。能量消耗需要花费很多英尺的微波。

由电气工程师Jelena Vuckovic领导的团队在2019年1月3日的《科学》杂志上发表文章，解释了他们是如何用硅雕刻出纳米级通道，如何将其密封在真空中，并通过红外光脉冲将电子通过该腔的-硅对玻璃的可见性与玻璃一样透明-通过通道壁传输，以加快电子的传输速度。

《科学》杂志中展示的片上加速器只是一个原型，但Vuckovic表示，其设计和制造技术可以扩大规模，以提供足以加速进行化学，材料科学和生物发现的前沿实验的粒子束。不需要大型加速器的力量。

“最大的加速器就像强大的望远镜。Vuckovic说：“世界上只有少数几个国家，科学家们必须来到SLAC之类的地方才能使用它们。”“我们希望以一种使其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仍有用的PC的方式。《科学》（Science）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癌症放射疗法。同样，这是一个大小问题。如今，医用X射线机充满了整个房间，并发出难以集中在肿瘤上的辐射束，要求患者佩戴铅罩以最大程度地减少附带损害。

“在芯片国际计划或ACHIP上促进加速器工作的领导者Byer说：“在本文中，我们开始展示如何将电子束辐射直接传递给肿瘤，而使健康组织不受影响。当前的研究是其中的一部分。

反设计

Vuckovic和第一作者研究生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，从而在适当的时机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。但是微波测量的是从峰顶到波谷的4英寸，而红外光的波长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比传统加速器的铜结构小100,000倍。这就需要一种基于硅集成光子学和光刻技术的工程新方法。

瓦科维奇（Vuckovic）的团队使用她的实验室开发的逆设计算法解决了这一问题。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传递多少光能，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，逆向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. Joel England说。

该设计算法提出的芯片布局似乎几乎与众不同。想象一下，被硅蚀刻出的被通道隔开的纳米级台面。流过该通道的电子沿着硅丝状的铁丝刺穿，在关键位置刺穿峡谷壁。每次激光脉冲（每秒做100,000次）都会使一束光子击中一堆电子，使它们向前加速。所有这一切都发生在由斯坦福大学的团队成员制作的真空密封的硅芯片表面上，其宽度小于头发的宽度。

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才能达到1MeV。Vuckovic说，但这似乎并不令人望而生畏，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。

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一千个加速阶段，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的功能。

同时，由于期望在芯片上开发1MeV加速器，论文的合著者电气工程师Olav Solgaard已开始着手研究可能的抗癌应用。如今，高能电子不再用于放射治疗，因为它们会灼伤皮肤。索尔加德（Solgaard）正在研究一种方法，该方法通过使用粒子束通过外科手术进行放射疗法，将来自芯片大小的加速器的高能电子通过导管状真空管引导，该导管可以插入皮肤下方，与肿瘤并排。

Solgaard说：“除了研究应用之外，我们还可以从加速器技术的小型化中获得医学利益。”

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Jelena Vuckovic是黄仁勋（Jensen Huang）全球领导力教授和电气工程学教授，并且是斯坦福Bio-X和吴仔神经科学研究所的成员。Robert Byer是William R. Kenan，Jr.教授，光子科学和应用物理学教授，也是Stanford Bio-X的成员。奥拉夫·索尔加德（Olav Solgaard）是电气工程学教授，是斯坦福Bio-X和吴仔神经科学研究所的成员，也是普雷考特能源研究所和斯坦福森林环境研究所的附属机构。其他作者是博士后学者Kiyoul Yang，Dries Vercruysse，高级研究工程师Kenneth Leedle，以及研究生Dylan Black，Logan Su，Rahul Trivedi和Yu Miao。

作者感谢Gordon和Betty Moore基金会，纳米与量子科学与工程博士后奖学金，欧盟Horizo​​n 2020研究与创新计划，Kailath研究生奖学金，斯坦福纳米共享设施，斯坦福纳米制造设施，国家科学基金会和美国能源部。