A chip-size accelerator for material research and health
- Reference number
- STP19-0081
- Project leader
- Laurell, Fredrik
- Start and end dates
- 200601-250531
- Amount granted
- 10 000 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
This project has a goal to realize a low-cost chip-sized MeV electron accelerator for table-top applications in material, life science, health, and telecommunications. A laser-pumped intense THz/far-IR radiation source will drive a lithographically fabricated dielectric microchip and accelerate electrons to relativistic velocities.The MeV electrons will be used to generate high-brightness radiation covering the x-ray to far-IR spectrum by colliding it with a laser beam. The nm electron and x-ray beams permit, for instance, intraoperative radiation therapy with unprecedented precision at a low cost. In the long-wavelength part of the spectrum, the integrated accelerator and radiator chips could become an efficient signal source for the next-generation telecommunication operating at a few hundred GHz. The project is built upon on-going, informal collaborations of reputed scholars from both countries. It is timely with an ambitious goal toward chip-size MeV accelerators and photon sources. The envisaged table-top high-brightness electron and photon source will challenge the gigantic accelerator and x-ray laser facilities worldwide. Success of the project will revolutionize the study and practice of material science, radiology, and next-generation telecommunication.
Popular science description
Dagens partikelacceleratorer är jättemaskiner som kräver enorma resurser för att driva. I hela världen finns därför endast ett fåtal. De har trots detta en mycket stor betydelse för både grundforskning och tillämpad forskning inom vitt spridda forskningsfält som partikelfysik, materialfysik, kemisk fysik och bioteknologi. En av de stora nackdelarna är förstås att forskarna får kämpa hårt för att få experimenttid och om de är lyckosamma att få stråltid får de vänta länge innan experimenten kan genomföras. I dessa anläggningar accelereras partiklarna med radiofrekvenser i s.k. undulatorer till relativistiska hastigheter, dvs. hastigheter nära ljushastigheten. Projektet består av forskargrupper i Sverige och Taiwan, med kompletterande kompetenser, som kommer att konstruera en ultra-kompakt chipbaserad elektronaccelerator som drivs med långvågigt infrarött ljus. Idén innebär ett paradigmskifte då det först under senare år genom inledande experiment och teoretiska beräkningar har framkommit att detta är realistiskt. För det första är våglängden hos acceleratorljuset i vårt fall 5-6 tiopotenser kortare än i dagens acceleratorer, vilket krymper dimensionerna i motsvarande grad. För det andra utnyttjar vi ett dielektriskt acceleratorchip som kan tåla mycket högre intensitet än dagens metalliska undulatorerna. Projektet är utmanande och för att lyckas kommer vi att behöva en högintensiv laserbaserad ljuskälla för att få en tillräcklig acceleration. Den åstadkommer vi med hjälp av en s.k. ickelinjär kristall som vi har unik kompetens för att tillverka. Sen behövs det ett dielektriskt chip igenom vilket elektronstrålen kan passera och accelereras. Chipet struktureras i diamant med nanofabrikationsmetoder för att anpassas både till elektronstrålen och laservåglängden och för att klara den extrema intensiteten. Slutligen behövs det en högenergetisk, välkontrollerad elektronstråle att förstärka. Vårt team har alla nödvändiga komponenter, Yen-Chieh Huang från National TsingHua University är en av idémakarna och internationellt ledande i fältet. Han har gjort flera av de avgörande demonstrationsexperimenten. För accelerationsljuskällan har KTHgruppen tagit viktiga steg, och inom ickelinjär optik är både KTH gruppen och Yen-Hung Chen’s grupp på Central National University i forskningsfronten. Materialfysikgruppen på KTH har den eftertraktade elektronljuskällan och all diagnostik medan Uppsalagruppen är världsledande inom diamantstrukturering.