Bij deeltjesversnellers zullen de meeste mensen (althans, mensen die een beetje geïnteresseerd zijn in natuurkunde) denken aan de LHC bij CERN, een gigantische, cirkelvormige tunnel met een omtrek van 27 kilometer. Maar het kan ook anders. Amerikaanse onderzoekers hebben een deeltjesversneller van enkele centimeters ontworpen.
Met de Large Hadron Collider (LHC) zoeken wetenschappers naar nieuwe deeltjes en brengen ze de eigenschappen van bekende deeltjes in kaart. Maar er bestaan ook kleinere versnellers voor medische, industriële en andere onderzoekstoepassingen. Daarbij worden de versnelde deeltjes of de straling die ze uitzenden gebruikt voor bijvoorbeeld beeldvorming, materiaalonderzoek of het behandelen van kanker.
Deze kleinere versnellers zijn nog steeds enkele meters tot kilometers groot en ze zijn duur. Daardoor zijn er niet veel van en moeten onderzoekers en patiënten vaak reizen om er gebruik van te maken.
De deeltjesversneller-op-een-chip van de Amerikaanse onderzoekers belooft niet alleen kleinere versnellers. Ook zouden ze een grotere kosteneffectiviteit hebben dankzij de manier waarop ze geproduceerd worden, mailt Neil Sapra van de Stanford-universiteit, een van de betrokken onderzoekers. ‘We willen hiermee versnellertechnologie democratiseren voor een breed scala aan toepassingen.’
De onderzoekers vergelijken het met de manier waarop computertechnologie zich ontwikkelt. Pc’s kunnen minder dan krachtige supercomputers, maar hebben meer dan genoeg nuttige toepassingen. Bovendien zijn ze zo klein en goedkoop dat bijna iedereen er een thuis heeft staan.
Elektronen krijgen duwtje
De piepkleine deeltjesversneller van de Amerikaanse onderzoekers bestaat uit een siliciumchip waarop een infraroodlaser elektronen versnelt. De elektronen gaan hierbij door een kanaaltje van 0,00025 millimeter breed dat de onderzoekers uit het silicium hebben gesneden.
Terwijl ze door dit kanaaltje bewegen, worden er pulsen infraroodlicht op ze afgevuurd. Die lichtpulsen, die zonder moeite door het silicium bewegen, geven de elektronen een zetje in de goede richting waardoor ze versneld worden.
In grotere elektronenversnellers, zoals de 3,2 kilometer lange, lineaire deeltjesversneller vlakbij de Stanford-universiteit, wordt geen infraroodlicht, maar microgolfstraling gebruikt om de deeltjes voort te stuwen. Deze straling heeft een golflengte van ongeveer een meter. De golflengte van het gebruikte infraroodlicht is daarentegen kleiner dan de doorsnee van een haar.
Dankzij deze kleine golflengte is er minder ruimte nodig om de elektronen te versnellen. Zo konden de onderzoekers met hun infraroodlaser in minder dan de breedte van een haar een versnelling bereiken waar microgolfstraling een afstand van een meter voor nodig heeft.
Duizend stappen
Het versnellen van de elektronen gaat in verschillende, bijna identieke stappen. De onderzoekers laten in hun publicatie één stap zien. Daarmee lieten ze de snelheid van elektronen toenemen met ongeveer 1 procent.
Het doel is om tegen het einde van dit jaar een chip te hebben waar die ene stap duizend keer herhaald wordt. De elektronen zijn dan versneld tot 94 procent van de lichtsnelheid. Dat levert een deeltjesstroom op die krachtig genoeg is voor medische toepassingen.
De deeltjesversneller-op-een-chip wordt nu enkel onderzocht op de universiteit. Sapra: ‘Dit is de eerste demonstratie van versnelling op de chip en dus een belangrijke mijlpaal. Zodra het ons lukt om elektronen te versnellen tot 94 procent van de lichtsnelheid, verwacht ik interesse vanuit de industrie.’
