Ученые из университета Фридриха-Александра в Германии создали самый маленький ускоритель частиц — нанофотонный ускоритель электронов (NEA). Саму возможность создания этого ускорителя впервые предложили в 2015 году, но запустили его только в 2023. Он представляет собой чип длиной в несколько миллиметров, на котором расположены микротрубки, по которым разгоняют электрон. Эта разработка открывает новые возможности для применения ускорителей частиц в промышленности, медицине и науке.
Такие разные ускорители
Ускорители частиц — это устройства, которые разгоняют атомы, части атомов и субатомные частицы до скоростей, сопоставимых со скоростью света. Коллайдеры — специальный тип этих устройств, где пучки вещества сталкиваются друг с другом на невероятных скоростях. Наиболее известным и большим является Большой Адронный Коллайдер в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарии. На нём исследователи разгоняют и сталкивают протоны и ядра атомов, чтобы узнать, из чего они состоят. Этот процесс можно сравнить с лобовым столкновением грузовиков, после которого смотрят, какие части двигателя лежат на дороге. Так, в 2012 году на Большом Адронном Коллайдере открыли бозон Хиггса, что стало прорывом в физике.
Эти устройства могут иметь разные конструкции, работать с различными типами частиц и имеют размеры от нескольких квадратных метров до гигантской системы тоннелей и зданий. Ускорители частиц применяются не только в научных исследованиях. С их помощью изучают внутреннее строение материалов и редкие изотопы, их используют в производстве полупроводников, и ими проводят диагностику заболеваний и воздействуют на опухоли. Всего в мире работает более 30 тысяч ускорителей разного назначения.
Особенности малыша
По сравнению со своим большим братом, нанофотонный ускоритель электронов кажется микроскопическим. Длина вакуумной трубки ускорителя — 500 нанометров, или 0.5 мм, она в 50 миллионов раз короче 27-километрового кольца Большого Адронного Коллайдера. Сама вакуумная трубка располагается на электронном чипе, который может уместиться на небольшой монетке.
Электрон разгоняют по каналу шириной всего 225 нанометров, воздействуя лазером на микроскопические столбики, из которых состоит трубка. Пока ученые не смогли достичь значительной энергии у электронов. Исследователи разогнали электроны с изначальной энергией 28.4 кэВ до 40.7 кэВ, показав прирост в 43%. Но этого всё еще слишком мало для практического применения нанофотонного ускорителя. Энергия пучка заряженных частиц в БАК, к примеру, достигает энергий в миллионы раз больше, чем в данном устройстве.
Перспективы
Для того, чтобы эта технология получила распространение, учёным придётся использовать новые материалы с большим запасом прочности и дорабатывать конструкцию. К примеру, добавлять новые нанотрубки, оптимизировать их взаимное расположение. С помощью нововведений планируется повышать скорость, а значит и энергию электронов.
Главными преимуществами настолько маленьких ускорителей могут стать низкая стоимость производства и удобство использования из-за размеров, как и возможность масштабировать эту технологию. Поэтому новые ускорители частиц обладают более широкими возможностями для применения в медицине, промышленности и новых научных опытах по сравнению с массивными и дорогими моделями, которые имеют размеры от нескольких метров. В будущем мини-ускорители могут заменить более разрушительные виды терапии рака, направляя излучение более точечно или даже при помощи установки чипов с ускорителями в эндоскоп. Но для этого потребуется много доработок в конструкции и медицинских исследований.
Сделайте свой маленький вклад в научное просвещение граждан, поставьте палец вверх👍 и подпишитесь на наш канал.
