Elektrotechnici van de versnellerfysica-groep aan de TU Darmstadt hebben een ontwerp ontwikkeld voor een lasergestuurde elektronenversneller die zo klein is dat hij op een siliciumchip kan worden geproduceerd. Het zou goedkoop zijn en met meerdere toepassingen. Het ontwerp, die is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , wordt nu gerealiseerd als onderdeel van een internationale samenwerking.

Deeltjesversnellers zijn meestal groot en duur, maar dat zal snel veranderen als onderzoekers hun zin krijgen. Het Accelerator on a Chip International-programma (AChIP), gefinancierd door de Gordon en Betty Moore Foundation in de VS, heeft tot doel een elektronenversneller te maken op een siliciumchip. Het basisidee is om de gaspedaalonderdelen van metaal te vervangen door glas of silicium, en om een ​​laser te gebruiken in plaats van een microgolfgenerator als energiebron. Vanwege het hogere elektrische veldbelastingsvermogen van glas, de versnellingssnelheid kan worden verhoogd en dus dezelfde hoeveelheid energie kan worden overgedragen aan de deeltjes binnen een kortere ruimte, waardoor de versneller ongeveer een factor 10 korter is dan traditionele versnellers die dezelfde energie leveren.

Een van de uitdagingen hierbij is dat het vacuümkanaal voor de elektronen op een chip heel klein gemaakt moet worden, wat vereist dat de elektronenstraal extreem gefocust is. De magnetische focusseringskanalen die in conventionele versnellers worden gebruikt, zijn daarvoor veel te zwak. Dit betekent dat er een geheel nieuwe scherpstelmethode moet worden ontwikkeld om de versneller op een chip werkelijkheid te laten worden.

Als onderdeel van het profielgebied Matter and Radiation Science van de TU Darmstadt, de AChIP-groep in versnellerfysica (Faculteit Elektrotechniek en Informatietechnologie aan de TU Darmstadt), onder leiding van de junior wetenschapper Dr. Uwe Niedermayer, heeft onlangs een beslissende oplossing voorgesteld die vraagt ​​om het gebruik van de laservelden zelf om de elektronen te focussen in een kanaal van slechts 420 nanometer breed. Het concept is gebaseerd op abrupte veranderingen in de fase van de elektronen ten opzichte van de laser, resulterend in afwisselende focussering en defocussering in de twee richtingen in het vlak van het chipoppervlak. Dit zorgt voor stabiliteit in beide richtingen. Het concept is te vergelijken met een bal op een zadel:de bal valt naar beneden, ongeacht de richting waarin het zadel kantelt. Echter, door het zadel continu te draaien, blijft de bal stabiel op het zadel. De elektronen in het kanaal op de chip doen hetzelfde.

Loodrecht op het oppervlak van de chip, zwakkere scherpstelling is voldoende, en een enkele quadrupoolmagneet die de hele chip omvat, kan worden gebruikt. Dit concept is vergelijkbaar met dat van een conventionele lineaire versneller. Echter, voor een versneller op een chip, de elektronendynamica is gewijzigd om een ​​tweedimensionaal ontwerp te creëren dat kan worden gerealiseerd met behulp van lithografische technieken uit de halfgeleiderindustrie.

Niedermayer is momenteel gastwetenschapper aan de Stanford University; de Amerikaanse universiteit leidt het AChIP-programma samen met de Universiteit van Erlangen in Duitsland. bij Stanford, hij werkt samen met andere AChIP-wetenschappers om een ​​versneller op een chip te maken in een experimentele kamer ter grootte van een schoenendoos. Een in de handel verkrijgbaar systeem, aangepast door middel van gecompliceerde niet-lineaire optica, wordt gebruikt als laserbron. Het doel van het AChIP-programma, die financiering heeft tot 2020, is om elektronen te produceren met één mega-elektronvolt energie van de chip. Dit is ongeveer gelijk aan de elektrische spanning van een miljoen batterijen. Een bijkomend doel is het creëren van ultrakorte ( <10 ^-15 seconden) elektronenpulsen, zoals vereist door het ontwerp voor een schaalbare versneller op een chip ontwikkeld in Darmstadt.

Toepassingen in industrie en geneeskunde

De mogelijke toepassingen voor een versneller als deze liggen in de industrie en de geneeskunde. Een belangrijk langetermijndoel is het creëren van een compacte coherente röntgenstraalbron voor de karakterisering van materialen. Een voorbeeld van een medische toepassing is een versneller-endoscoop waarmee tumoren diep in het lichaam met elektronen kunnen worden bestraald.

Een bijzonder voordeel van deze nieuwe versnellertechnologie is dat de chips goedkoop in grote aantallen kunnen worden geproduceerd, wat zou betekenen dat de versneller binnen handbereik zou zijn van de man op straat en elke universiteit zich een eigen versnellerlaboratorium zou kunnen veroorloven. Bijkomende mogelijkheden zijn onder meer het gebruik van goedkope coherente röntgenbundelbronnen in fotolithografische processen in de halfgeleiderindustrie, die een verkleining van de transistorgrootte in computerprocessors mogelijk zou maken, samen met een grotere mate van integratiedichtheid.