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科學家在IC上實現微型粒子加速器或有助於治療癌症

出處 Standford U.(史丹佛大學) 作者 劉聖哲摘譯 年份 2020/02/19
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2020年2月
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       在日常生活中,粒子加速器的應用其實並不罕見,從過去映像管電視、機場安檢 X 光機,到醫療用 X 光機,乃至於半導體製造用的離子佈值機,甚至是用於尋找「暗物質」、發現「上帝粒子」的大強子對撞機等,粒子加速器的演進已與人類文明進展息息相關。隨應用之不同,粒子加速器的規模大小也有所不同,若要把粒子的速度加速到接近光速,則這樣的粒子加速器往往是長達數公里、占地極廣的規模;其造價昂貴,也不是任何人都能利用。這情況有沒有可能改變呢?

       由史丹佛大學電機工程學教授 Jelena Vuckovic領導的研究團隊,最近就在《科學(Science)》雜誌上發表以矽晶片(silicon IC)技術製作出比頭髮寬度還小的「微型粒子加速器」。就像以前工程師將大型主機的功能全壓縮到桌上型個人電腦一樣,史丹佛大學的團隊則是將當今巨大的粒子加速器及其功能打包到一個微小的IC上。未來,這樣的微型化粒子加速器或可在研究和醫學領域中找到新應用。

       傳統的粒子加速器使用微波輻射來對粒子加速,由於微波的波長比較長(約1~20公分),通常需要很長的距離才能讓粒子加速到足夠的速度。史丹福大學團隊的微型粒子加速器則使用波長僅約頭髮寬度十分之一的紅外光(光的波長越短,其具有的能量越高),因此可在非常短的距離內將粒子加速,而這也意味著他們必須將粒子加速器的尺寸縮小至少十萬倍以上,像這樣微小的加速器要如何做出來呢?

       為此,Vuckovic團隊使用矽晶片技術。他們首先開發設計軟體,然後以此軟體及設定晶片必須能傳遞多少光能等規格,經過充分模擬而設計出使粒子始終能夠朝正確方向盡快加速的奈米級加速器結構,最後於矽晶片上將設計好的微型加速器以蝕刻製成。在此加速器中,紅外光將以每秒十萬次之脈衝撞擊並加速粒子。

       經實作測量,團隊人員發現他們的原型IC可在30μm內將電子的能量提高915電子伏特(eV),此相當於電子在1公尺的加速過程中獲得30.5MeV。若要將電子加速到光速之94%,亦即1MeV,以作為研究或醫學之需,則理論上串接1,000級相同的IC應該就能達成。研究團隊計畫在2020年底前,於1平方英吋的IC上達成此一目標。

       儘管此微型粒子加速器的功能尚無法與能夠產生30GeV的大型粒子加速器相提並論,但已可望用於抗癌的應用。研究的共同作者 Olav Solgaard 此刻即正在研究利用此微型粒子加速器的放射療法:他將一條真空導管插入皮膚下方的腫瘤旁,然後引導微型粒子加速器產生的粒子束直接撞擊癌細胞,而不傷及附近的健康細胞。

圖說:放大25,000倍之微型粒子加速器的一部分。灰色結構將紅外線雷射(以黃色和紫色顯示)聚焦在流過中心通道的電子上。未來史丹佛大學的研究人員將在一英寸大小的晶片上封裝1,000個加速器,而將電子加速到光速之94%。(Source:Neil Sapra)