En chip-baserad accelerator för materialforskning och hälsa
- Diarienummer
- STP19-0081
- Projektledare
- Laurell, Fredrik
- Start- och slutdatum
- 200601-250531
- Beviljat belopp
- 10 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- KTH - Royal Institute of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Projektet har som mål att realisera ett billigt MeV elektron-acceleratorchip för labbtillämpningar inom materialforskning, livsvetenskaper, hälsa och telekommunikation. En laser-pumpad intensiv THz/IR källa kommer att driva ett litografiskt tillverkat dielektriskt mikro-chip och accelerera elektroner till relativistiska hastigheter. Det blir en kraftfull källa för ultrasnabb elektron-diffraktion och mikroskopi. Vidare kommer MeV elektronerna att användas till att generera röntgen och långvågig IR strålning med hög intensitet genom att kollidera dem med laserstrålen. Elektron och röntgenstrålningen möjliggör bl.a. intraoperativ strålningsterapi med extraordinär precision till ett lågt pris. I det långvågiga spektrat kan den integrerade acceleratorn och strålningschipet bli en effektiv signalkälla för nästa generations telekommunikation vid ett antal hundra GHz. Projektet bygger på pågående, informella samarbeten mellan etablerade forskare i de bägge länderna. De höga målen, såsom en chip-baserad MeV accelerator och högenergetiska ljuskällor i THz och det långvågiga IR området ligger helt rätt i tiden. Den ultra-kompakta högintensitetsljus- och elektronkällan kommer att utmana de gigantiska accelerator- och röntgenlaseranläggningarna som finns idag. Ett framgångsrikt projekt kommer därför att kunna revolutionera studier och metoder inom materialforskning, radiologi, och nästa generations telekommunikation.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.