칩 크기 입자 가속기
물리학자들은 레이저 가속기를 마이크로미터 크기로 축소하고 있다. 

▲ 2만5000 배 확대된 이미지는 새로운 레이저 가속기의 작은 채널에서의 미세구조를 보여준다. 이 채널에서 전자는 가속되는데, 이는 단지 250 나노미터 두께와 30 마이크로미터 길이다. © Neil Sabra

입자 가속기가 항상 크거나 전체 공간을 채울 필요는 없다.
연구원들은 이제 마이크로 칩에 맞도록 전자 레이저 가속기의 크기를 줄이는 데 성공했다.
미니 입자 가속기는 빠른 레이저 펄스의 도움으로 전자를 가속 시킨다. 이러한 미니 시스템은 향후 의학에서 주로 사용될 수 있다.

CERN의 LHC(Large Hadron Collider)와 같은 클래식 입자 가속기는 전자석으로 입자를 거의 빛의 속도로 가속하기 위해 수십에서 수백 미터의 거리가 필요하다. 그러나 전자석 대신 가속을 위해 테라헤르츠 빔 또는 레이저 빔을 사용하는 기술이 이미 있다. 이러한 장치는 테이블 크기에 불과하지만 속도를 설정하는 입자는 많은 응용 분야에 사용할 정도로 충분히 빠르다.

레이저 가속기를 어떻게 축소할까?

스탠포드 대학의 닐 사프라 (Neil Sapra)와 그의 팀은 한 단계 더 나아갔다.
그들은 현재까지 가장 작은 입자 가속기를 설계했다. Sabra의 동료인 제레나 부코비츠Jelena Vuckovic는 "가속화 기술을 보다 접근하기 쉬운 연구 도구로 만들기 위해 액셀러레이터 기술을 축소하고 싶다"고 설명했다. 지금까지 시스템은 너무 비싸고 널리 퍼져있지 않아 모든 사람이 사용할 수 있는 것은 아니다.

연구원들은 미니 가속기를 위한 설계 프로세스를 발표했다. 즉, 출발점은 심박조율기로서 적외선 레이저 빔을 고려해야 한다는 점이다. 레이저 펄스는 진공 채널에서 초당 10만 번 전자를 때리며 매번 작은 "푸시"를 제공한다. 그 결과, 입자는 점차적으로 높은 에너지로 가속된다. Sabra와 그의 팀은 특수 소프트웨어를 사용해 레이저의 특성과 가속기 성능 요구 사항에 따라 이 시스템에 가능한 가장 작은 하드웨어를 설계하고 구성했다.

1 센티미터에서 백만 전자 볼트

두께가 250nm(나노미터)이고 길이가 30㎛(마이크로미터)인 실리콘 칩이다. 사람의 모발보다 훨씬 얇아졌다. 연구진은 이 진공 채널을 통해 펄스 적외선 레이저 빔을 보내 공급되는 전자를 가속시킨다.

첫 번째 테스트에서 소형화된 칩-가속기는 30 마이크로미터의 거리에서 0.915KeV(킬로전자 볼트)의 추가 추력을 전자에게 제공 할 수 있었다. 1 미터의 가속기 거리로 변환하면 이미 약 30.5 MeV(메가전자볼트)에 해당한다. 이는 광속도의 94% 이상의 입자 속도에 해당.

이를 달성하기 위해서는, 수천 개 이상의 칩 가속기가 직렬로 연결되거나 전자가 미니-입자 가속기를 수천 번 통과해야 할 것이다. 그러나 연구원들은 이런 단계화가 완전히 실현 가능한 것으로 생각한다. 2020 년 말까지, 그들은 백만 전자볼트의 목표를 달성하기 위해 약 1cm의 칩 영역에 1,000 가속 레벨을 구현하려고 한다.

가속기 칩으로 보다 표적화된 암 치료

새로운 미니 가속기로 적용 가능한 분야는 의학이다.
지금까지, 암 종양에 대한 방사선 요법을 위한 촉진제는 방 전체를 채웠다.
유해한 방사선 영향으로부터 환자를 보호하기 위해서는 무거운 납 앞치마를 착용해야 하지만 건강한 조직은 항상 손상된다. 공동 저자인 로버트 바이어(Robert Byer)는 “미니-입자 가속기는 이러한 치료법에 완전히 새로운 접근법으로 이어질 수 있다." 가속기 자체의 크기가 수 센티미터에 불과하고 입자 빔의 두께가 수 마이크로 미터에 불과한 경우 훨씬 더 정밀하고 선택적인 조사가 가능하기 때문이다.

Byer의 동료인 올라브 솔가르드Olav Solgaard는 이미 암과의 싸움에 맞는 가속기 버전을 개발하기 시작했다. 앞으로 그는 입자빔을 병든 조직으로 직접 보내기 위해 종양 근처에 새로운 촉진제 칩을 이식할 계획이다.

(Science, 2019; doi : 10.1126 / science.aay5734)
출처 : Stanford University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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