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Beschleuniger-Endoskop: Tumore aus dem Körper bestrahlen

Elektrotechniker der TU Darmstadt haben einen lasergetriebenen Elektronenbeschleuniger entwickelt, der so klein ist, dass er auf einen Siliziumchip passt sowie kostengünstig und vielseitig einsetzbar ist. Dieser wird nun umgesetzt. Anwendungsmöglichkeiten liegen in der Industrie und der Medizin.

Klein und vielseitig einsetzbar – Der Beschleunigerchip und eine Elektronenmikroskopie des Chips. Bildquelle: © Hagen Schmidt/Andrew Ceballos

Klein und vielseitig einsetzbar – Der Beschleunigerchip und eine Elektronenmikroskopie des Chips.

Teilchenbeschleuniger sind üblicherweise groß und kostenintensiv. Das soll sich nun ändern. Das von der amerikanischen Gordon-and-Betty-Moore-Stiftung geförderte Accelerator on a Chip International Program (AChIP) hat sich zum Ziel gesetzt, einen Elektronenbeschleuniger auf einem Siliziumchip zu realisieren.

Die grundlegende Idee hier ist, Beschleunigerstrukturen aus Metall durch Glas oder Silizium zu ersetzen und als Energiequelle statt eines Mikrowellengenerators einen Laser zu nutzen. Durch die höhere elektrische Feldbelastbarkeit von Glas steigt die Beschleunigungsrate. Dadurch lässt sich die gleiche Energie auf kürzerer Strecke auf die Teilchen übertragen, was den Beschleuniger um ungefähr einen Faktor 10 kürzer macht als herkömmliche Beschleuniger gleicher Endenergie.

Eine Herausforderung ist hierbei, dass der Vakuumkanal für die Elektronen auf einem Chip nur sehr klein sein kann. Deswegen muss der Elektronenstrahl extrem stark fokussiert werden. Die in konventionellen Beschleunigern eingesetzten magnetischen Fokussierkanäle sind hierfür bei weitem zu schwach. Das bedeutet, dass für einen Beschleuniger auf einem Chip ein völlig neues Fokussierkonzept zu entwickeln war.

Neues Fokussierkonzept

Als Teil des TU-Profilbereichs Teilchenstrahlen und Materie hat die AChIP-Gruppe am Fachgebiet Beschleunigerphysik (Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Darmstadt) um den Nachwuchswissenschaftler Dr. Uwe Niedermayer kürzlich eine entscheidende Lösung vorgestellt. Um die Elektronen im nur 420 nm breiten Kanal zu fokussieren, sollen die Laserfelder selbst eingesetzt werden.

TU Darmstadt, Accelerator on a Chip, AChIP Bildquelle: © Andrew Ceballos

Dr. Uwe Niedermayer (Mitte) mit seinen Stanford-Kollegen Dr. Ken Leedle (l) und Dylan Black vor der Beschleunigerchip-Experimentierkammer in Stanford.

Das Konzept basiert darauf, die relative Phase der Elektronen zum Laser sprunghaft zu ändern. Dies führt dazu, dass die Fokussierung und Defokussierung in den zwei Richtungen der Ebene der Chipoberfläche alterniert. Dadurch erhält man Stabilität in beiden Richtungen. Das Konzept lässt sich mit einer Kugel auf einem Sattel vergleichen. Die Kugel wird herunterfallen, unabhängig in welcher Richtung der Sattel steht. Dreht man den Sattel allerdings kontinuierlich, so bleibt die Kugel stabil auf dem Sattel. Das Gleiche tun die Elektronen im Kanal auf dem Chip.

Senkrecht zur Chipoberfläche ist nur eine schwächere Fokussierung notwendig, und es genügt ein einziger Quadrupol-Magnet, der den gesamten Chip umschließt. Dieses Konzept ähnelt dem eines konventionellen Linearbeschleunigers. Für den Beschleuniger auf dem Chip wurde allerdings die Elektronendynamik verändert, um ein zweidimensionales Design zu erzielen, das sich mit lithografischen Techniken aus der Halbleiterindustrie realisieren lässt.

Niedermayer ist zurzeit als Gastwissenschaftler an der amerikanischen Stanford University, die das AChIP-Programm zusammen mit der Universität Erlangen leitet. Er arbeitet dort mit den AChiP-Kollegen daran, den Beschleuniger auf dem Chip in einer Experimentierkammer von der Größe eines Schuhkartons zu realisieren. Als Laserquelle kommt ein kommerziell verfügbares System zum Einsatz, das durch eine komplizierte nichtlineare Optik angepasst wird.

Ziel des bis 2020 laufenden AChIP-Programms ist, aus dem Chip Elektronen mit einer Energie von 1 MeV zu erhalten. Das entspricht der elektrischen Spannung von etwa einer Million Batterien. Weiterhin sollen auch ultrakurze Elektronenpulse (unter 10-15 s) realisiert werden, wie sie für einen skalierbaren Beschleuniger auf dem Chip nach dem Konzept aus Darmstadt notwendig sind.

Anwendungsmöglichkeiten

Die Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Beschleunigers liegen in der Industrie sowie in der Medizin. Ein wichtiges langfristiges Ziel ist, eine kompakte kohärente Röntgenstrahlungsquelle zur Charakterisierungen von Materialien zu realisieren. Eine medizinische Anwendung wäre zum Beispiel ein Beschleuniger-Endoskop, mit dem man Tumore aus dem Inneren des Körpers mit Elektronen bestrahlen könnte.

Ein besonderer Vorteil dieser neuen Beschleunigertechnologie ist, dass die Chips kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden können. Dies könnte Beschleuniger für Jedermann oder das Beschleunigerlabor für jede Universität ermöglichen.

Weiterhin ergeben sich Möglichkeiten, kostengünstige kohärente Röntgenstrahlungsquellen in der Halbleiterindustrie in Prozessen der Fotolithografie einzusetzen, was eine Verkleinerung der Transistoren in Computerprozessoren und eine höhere Integrationsdichte ermöglicht.

Veröffentlichung

Uwe Niedermayer, et al., Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration, Physical Review Letters 121, 214801 (2018)

(rh)