Um acelerador de elétrons do tamanho de uma caixa de sapatos foi criado

Pesquisadores da Universidade de Stanford projetaram e construíram um minúsculo acelerador de elétrons que pode ser alojado em uma embalagem do tamanho de uma caixa de sapatos. Um dia, eles substituirão aceleradores megacaros para pesquisas de ponta em física e trarão mudanças dramáticas nos cuidados médicos, na indústria e até na vida cotidiana.

Fonte da imagem: Fundação Moore/Payton Broaddus

Os pesquisadores demonstraram que um acelerador de laser dielétrico de silício (DLA) é capaz de acelerar e guiar elétrons, criando um feixe focado de elétrons de alta energia. “Se os elétrons fossem carros microscópicos, seria como se estivéssemos ao volante e pisassemos no acelerador pela primeira vez”, explicou Payton Broaddus, 23 anos, candidato a doutorado em engenharia elétrica e autor principal de um artigo publicado em 23 de fevereiro detalhando avanço na revista Physical Review Letters.

Os aceleradores de partículas de hoje não são particularmente compactos, variando do tamanho de um desktop decente até o Grande Colisor de Hádrons com um anel de quase 27 km de comprimento. Estes são instrumentos científicos caros que podem ser plenamente utilizados principalmente por cientistas acadêmicos. A criação de aceleradores compactos e relativamente baratos ou mesmo baratos permitirá utilizá-los na medicina para visualização detalhada dos tecidos internos de órgãos humanos e no tratamento de tumores. Os aceleradores ajudarão na análise de materiais, substâncias e no controle de qualidade não destrutivo. Finalmente, haverá dispositivos que poderão realmente mostrar o nitrato e até mesmo a composição molecular de frutas e vegetais comprados em lojas.

Há cerca de 10 anos, pesquisadores de Stanford começaram a fazer experiências com estruturas em nanoescala feitas de silício e vidro que poderiam suportar maiores mudanças de temperatura sem deformação do que as peças metálicas dos aceleradores. Em 2013, foi criado um protótipo de um minúsculo acelerador de vidro usando lasers infravermelhos pulsados ​​que acelerou elétrons com sucesso. Para este desenvolvimento, a Fundação Gordon e Betty Moore, como parte da cooperação internacional Accelerator on Achip (ACHIP), alocou fundos para criar um acelerador mega-elétron-volt do tamanho de uma caixa de sapatos.

Imagem de uma trilha para criar um feixe de elétrons focado. Fonte da imagem: Cartas de Revisão Física

Como resultado da pesquisa, foi desenvolvida uma microestrutura capaz de focar um feixe de elétrons em dois planos, acelerando-os e direcionando-os ao longo de um plano horizontal. Os elétrons são introduzidos de um lado da trilha submilimétrica e a iluminação pulsada do laser ocorre em ambas as extremidades. A solução proposta permitiu transmitir 25% adicionais de energia aos elétrons e acelerá-los para 23,7 keV. Essa aceleração é comparável às capacidades dos aceleradores de desktop clássicos, mas implementada em uma “caixa de sapatos”.

Melhorias adicionais no esquema permitirão aumentar a energia de aceleração para o nível planejado de 1 MeV. Uma cascata de tais aceleradores, ou o uso inicial de outros circuitos, como este criado por colegas da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nuremberg (FAU), tornará possível produzir amplificadores compactos que aceleram elétrons até a subluz. velocidades. Mas este é um trabalho para um futuro distante. Agora, embora tenham sido bem-sucedidos, apenas os primeiros passos foram dados nesta direção.