芯片上的粒子加速器问世！斯坦福团队：有望用以精准轰击肿瘤

　　最先科学家发现，把粒子加速到接近光速，再让它们对撞，就能够获取到大量微观粒子。<strong>而基于加速器的粒子物理研究，引领了对物质根本结构的研究。</strong>而杨振宁反对是由于，他认为大型对撞机的建设就比如 “军备竞赛” 同样，设备须要一步步升级，投入的资金也要愈来愈多，而且维护设备也须要巨额的费用。
　　同时，<strong>杨振宁也表示，不建超大对撞机，高能物理仍然有其余方向值得探索</strong>。
　　当中国陷因而否要上马更大型的超级对撞机争议之时，美国有研究团队在探索另外一条路，并在加速器技术小型化的相关研究中取得初步成果。
　　今天，<strong>斯坦福大学的研究团队在<em> Science </em>杂志上展现了一种由硅芯片构建的加速器原型</strong><strong>。</strong>就比如让一台普通台式计算机得到了一个塞满房间的大型主机的功能通常，研究人员将巨大的粒子加速器的部分功能封装在了硅芯片上。
　　这项研究出自 SLAC 国家加速器实验室，其位于斯坦福大学校园旁的山坡上，是美国能源部下属的国家实验室，由斯坦福大学运行管理。<strong>这里运行着</strong><strong>约 3 千米长</strong><strong>的科学仪器</strong>，在这样巨大的加速器中，一连串的电子流过真空管道，随着微波辐射的爆发将粒子向前推进得愈来愈快，直到它们的速度接近光速，从而产生一个强大的光束。来自世界各地的科学家们都在用它来探测无机生物材料的原子和分子结构。
　　如今，<strong>斯坦福大学和 SLAC 的科学家们首次建立了一种能够加速电子的硅芯片</strong>，尽管速度仅是那种大型加速仪器的一小部分，但芯片的体积也只有传统加速装置结构大小的十万分之一，其中含有许多纳米真空通道，当粒子在其中经过时，会由红外激光而不是传统的微波来增能加速。
　　由于红外激光的波长比微波更短，因此能够在极短（不及头发粗细）的范围内加速电子。目前，<strong>斯坦福大学的研究团队计划利用该芯片将电子加速至光速的 94%</strong>。研究团队的负责人、斯坦福大学电气工程学教授 Jelena Vuckovic 在 1 月 3 日的 <em>Science </em>杂志上解释了他们如何在硅上雕刻出纳米级通道，将其密封在真空中，并经过该腔体发射出红外光脉冲。
　　Jelena Vuckovic 对媒体表示：“这个片上加速器只是一个原型，这种设计和制造技术能够扩大规模，以提供足够加速的粒子束，用以进行化学、材料科学和生物学发现等方面的前沿实验，而无须借助大型加速器的力量。”这样一来，就能够避免不少 “高射炮打蚊子” 的尴尬。
　　<strong>1、逆向思惟带来成功设计</strong>
　　论文的第一做者、研究生 Neil Sapra 在论文中解释了他们的团队如何让芯片能够经过硅发射红外光脉冲，并在恰当的时间、以恰当的角度撞击电子，推进电子不断加速。
　　<strong>为了实现这一点，他们颠倒了设计过程。</strong>在传统加速器中，好比 SLAC 的加速器，工程师们一般会草拟一个基本的设计，而后运行仿真模拟，用物理的方式来安排微波爆发，以提供最大的加速度。可是，使用的微波在波长 4 英寸左右（约 10 厘米），而红外线的波长却只有人头发的十分之一。
　　这种差别解释了为何与微波相比，红外光能够在如此短的距离内加速电子。不过这也意味着，<strong>该芯片的大小必须是传统加速器结构的十万分之一</strong>。而这就须要一种基于硅集成光子学和光刻技术的工程新方法。
　　<strong>研究人员使用 Jelena Vuckovic 实验室开发出的 “逆设计算法” 解决了该问题。</strong>这种算法容许研究人员逆向工做，能够先具体指定他们但愿芯片传递多少光能，并为软件设置任务分配；再建议如何构建合适的纳米尺度结构，来使光子与电子流进行适当的接触。
　　“有时候，逆设计能够给工程师们提出此前可能想不到的解决方案。” SLAC 国家加速器实验室的科学家、论文的合著者 R. Joel England 说道。
　　<strong>逆设计算法提出了一个看起来彻底超乎想象的芯片布局。</strong>
　　想象一下，一个由硅蚀刻出的、被通道隔开的纳米台面。电子在通道中流动，就像一根由硅线组成的绳索，在沟壑纵横的峡谷上穿过。每次激光脉冲（100,000 次 / 秒）都会使一束光子击中一堆电子，使它们向前加速。而全部这些事情，都发生在一个比头发还细的范围下。
　　<strong>2、有望带来新的癌症放射疗法</strong>
　　Vuckovic 表示：“最大的粒子加速器就和功能强大的天文望远镜同样，世界上只有少数几个，科学家们必须到像 SLAC 国家加速器实验室这样的地方来使用它们。<strong>而咱们但愿能以一种易于使用的工具方式来使加速器技术小型化。</strong>”
　　所以，团队成员把他们的方法类比为将大型计算主机发展为较小但仍然有用的台式计算机的过程。
　　论文的合著者、物理学家 Robert Byer 说：“<strong>片上加速器的技术也可能带来新的癌症放射疗法。</strong>由于这也涉及一个大小尺寸问题。现在，医用 X 射线仪器占据了整个房间并发出难以聚焦在肿瘤上的辐射束，须要患者佩戴铅罩来最大程度地减小附带损害。”
　　“在这篇论文中，咱们开始展现如何将电子束辐射直接传送到肿瘤，而不影响健康组织。” 他补充道。<strong>Robert Byer 也是 “芯片上加速器国际计划（AChIP）” 的领导者，该计划专一于打造硅基电子加速器。</strong>这项多学科、多机构合做的计划，目标是在芯片上生成具备 1 MeV 能量的电子脉冲，产生飞秒到阿秒（1x10−15 秒到 1x10−18 秒）的脉冲。
　　<strong>研究人员但愿将电子加速到光速的 94％，即一百万电子伏（1 MeV），这样能产生足以用于研究或医学目的的粒子流。</strong>目前，该原型芯片仅能提供单级加速，且电子流须要经过大约 1,000 个这样的 “单级” 才可能达到 1 MeV。
　　但 Vuckovic 对此表示，这并不会让人望而生畏，由于该原型片上的加速器是一个完整的集成电路。<strong>这意味着建立加速所需的全部关键功能都直接内置在芯片中，所以增长相应的功能应该并不困难。</strong>
　　他们计划在 2020 年年末以前，在大约一英寸的芯片空间中封装出 1000 个加速阶段，以达到 1 MeV 的目标。若是成功，这将会是一个重要的里程碑，但这种设备的功率仍没法与 SLAC 研究加速器的功能相提并论。由于后者可产生比 1 MeV 高 3 万倍的能量。
　　<strong>Byer 认为，就像晶体管最终取代电子设备中的真空管同样，基于光的设备终将有一天会挑战微波驱动加速器的功能。</strong>
　　同时，因为指望在芯片上开发 1 MeV 加速器，论文的合著者之1、电气工程师 Olav Solgaard 已经开始着手研究潜在的抗癌应用。目前，高能电子因会灼伤皮肤，并无用于放射治疗。Solgaard 正在研究一种方法，试图经过使用粒子束像外科手术同样进行放射疗法。
　　“或可未来自芯片大小加速器的高能电子经过导管状真空管的引导，插入皮肤下方，直达肿瘤旁边。” Solgaard 说，“除了研究应用以外，咱们还能够从加速器技术的小型化中得到医学利益。”