В области ускорителей частиц произошел существенный прогресс: ученые из университета штата Техас в Остине создали компактное и высокоэффективное устройство. Это упростило доступ к технологиям для их практического применения в сферах, таких как медицинская визуализация и лечение рака.
Ускорители частиц, критически важные для научных и медицинских исследований, страдают от ограниченности: большой размер и высокая цена препятствуют их широкому распространению. В Техасском университете в Остине команда ученых нашла решение — разработали компактный ускоритель частиц.
Устройство, компактное и недорогее аналогов, упростит применение ускорителей частиц в физике частиц, медицине и материаловедении. .
Впечатляющий технологический скачок
Устройство под названием «усовершенствованный лазерный ускоритель кильватерного поля» является существенным достижением в сфере ускорителей частиц.
Функционирование устройства основано на новом механизме, где вспомогательный лазер воздействует на гелий. Газ нагревается до тех пор, пока не превратится в плазму. Плазма, в свою очередь, создает волны.
Волны могут перемещать электроны с большой скоростью и энергией, создавая высокоэнергетический электронный луч. Такой метод отличается от традиционных методов, применяемых в крупных ускорителях частиц, где размеры и сложность установок ограничивают их эффективность и доступность.
Впервые этот ускоритель был описан в 1979 году. Но недавно группа исследователей из Техасского университета под руководством Бьорна «Мануэля» Хегелича, физика и генерального директора TAU Systems, внесла в него важное изменение: добавление металлических наночастиц в плазму.
Наночастицы играют ключевую роль в увеличении энергии электронов в плазменной волне. В результате получается не только более мощный, но и более концентрированный и эффективный электронный луч.
В сообщении для прессы Хегелич приводим необычную параллель, иллюстрирующую этот закон: Вейксерферы помогают лодкам и водным мотоциклам скользить по волнам. «. Он добавляет: «В нашем ускорителе водные мотоциклы подобны наночастицам, которые высвобождают электроны в определенный момент. Мы вводим в волну больше электронов там, где и когда нам нужно, а не распределяем их по всему взаимодействию статистически, и это наш секрет успеха. «.
Доступная технология?
Исследователи провели эксперимент с использованием Техасского петаваттного лазера, расположенного в Университете Техаса. Это один из самых мощных импульсных лазеров мира, излучающий импульс сверхинтенсивного света каждый час. Мощность одного импульса приблизительно в тысячу раз превышает установленную электрическую мощность Соединенных Штатов, но длится всего 150 фемтосекунд – меньше миллиардной доли времени удара молнии. Таким образом, полная энергия очень мала.
К долгосрочной цели относится повышение доступности и практичности системы. Для этого исследователи разрабатывают лазер меньшего размера, который можно будет использовать многократно и с большей частотой. Такой лазер в сочетании с компактным ускорителем позволит существенно уменьшить размер, стоимость и сложность оборудования, что сделает технологию применимой в более широком и разнообразном диапазоне научных и промышленных контекстов.
Перспективные приложения
Этот инновационный ускоритель частиц даст возможность проверить сопротивляемость электронных деталей, созданных для космических аппаратов, воздействию радиации, что крайне важно для надежности и безопасности полетов в космос.
Сектор микроэлектроники сможет получить от этого преимущество, в особенности при визуализации сложных трёхмерных структур полупроводниковых чипов. Для разработки и проверки конструкций микросхем нового поколения требуется возможность точной визуализации.
В медицине акселератор прогнозирует достижения, особенно в разработке передовых методов медицинской визуализации и инновационных способов лечения рака, открывая новые возможности для диагностики и терапии. Команда Хегелича подала заявку на патент на устройство и метод генерации наночастиц (в газовой ячейке). Компания TAU Systems, основанная на базе лаборатории Хегелича, владеет эксклюзивной университетской лицензией на этот фундаментальный патент.