ידענים: מיכשור רפואי | ננו טכנולוגיה

מאת 30 בספטמבר 2013 5 תגובות

"הטכנולוגיה תוכל גם לסייע לפיתוחם של מאיצים קומפקטיים והתקנים של קרני רנטגן שישמשו למטרות של סריקות ביטחוניות, ריפוי רפואי ודימות, וכן עבור מחקרים בתחומי הביולוגיה ומדעי החומרים."

שבבים ננומטריים באורך של 3 מ"מ בלבד, המורכבים מזכוכית סיליקה דחוסה, משמשים לשם האצת אלקטרונים למהירות הגבוהה פי עשרה מזו המתקבלת היום במאיצים רגילים. (Brad Plummer/SLAC)

שבבים ננומטריים באורך של 3 מ"מ בלבד, המורכבים מזכוכית סיליקה דחוסה, משמשים לשם האצת אלקטרונים למהירות הגבוהה פי עשרה מזו המתקבלת היום במאיצים רגילים. (Brad Plummer/SLAC)

בפיתוח שיוכל לקדם דרמטית את התחום של מזעור מאיצי חלקיקים למטרות מדעיות ורפואיות, חוקרים הצליחו להשתמש בלייזרים על מנת להאיץ אלקטרונים למהירות הגבוהה פי עשרה ממהירותם בטכנולוגיות קיימות, וכל זאת בתוך שבב זכוכית ננומטרי הקטן בגודלו מגרגיר אורז.

ההישג תואר זה מכבר בכתב-העת היוקרתיNature ע"י צוות חוקרים שכלל מדענים ממעבדת המאיצים הלאומית SLAC של משרד האנרגיה בארה"ב (DOE) ומדענים מאוניברסיטת סטנפורד.

"עדיין ניצבים בפנינו מספר אתגרים לפני שטכנולוגיה זו תהפוך לשיטה מעשית לשימוש יומיומי, אולם בסופו של דבר טכנולוגיה זו תביא להפחתת הגודל והעלות של התקנים עתידיים שבהם מתרחשות התנגשויות חלקיקים עתירי-אנרגיה, התקנים שמטרתם בחינת העולם הפיזיקלי של החלקיקים והכוחות היסודיים," אמר Joel England, הפיזיקאי ממעבדת המאיצים הלאומית SLAC שהיה אחראי למחקר. "הטכנולוגיה תוכל גם לסייע לפיתוחם של מאיצים קומפקטיים והתקנים של קרני רנטגן שישמשו למטרות של סריקות ביטחוניות, ריפוי רפואי ודימות, וכן עבור מחקרים בתחומי הביולוגיה ומדעי החומרים."

מאחר והתקנים אלו מבוססים על לייזרים מסחריים וטכניקות זולות המשמשות בייצור המוני, החוקרים מאמינים כי הטכנולוגיה החדשה תוכל לסלול את הדרך לפיתוחם של דור חדש של מאיצים "שולחניים". כאשר הוא יגיע למלוא הפוטנציאל שלו, "המאיץ בתוך השבב" החדש יוכל להשתוות בביצועיו לכוח ההאצה של המאיץ הקווי באורך של 3.2 ק"מ הנמצא במעבדת SLAC כאשר אורכו יהיה 30 מטר בלבד, תוך שהוא מייצר קצב פעימות אלקטרונים לשנייה הגבוה במיליון מהקיים. ההדגמה הראשונית של טכנולוגיה זו השיגה מפל האצה, כלומר כמות אנרגיה המושגת לאורך מרחק מוגדר, של 300 מיליון אלקטרו-וולטים לכל מטר. זהו קצב הגבוה פי עשרה מקצב ההאצה המתקבל כיום מהמאיץ הקווי שבמעבדה. "היעד הסופי שלנו עבור טכנולוגיה זו עומד על קצב האצה של 1 מיליארד אלקטרו-וולטים לכל מטר, ואנו כבר עכשיו נמצאים בשליש הדרך לשם בתום הניסוי הראשון שלנו," אמר הפרופסור Robert Byerמאוניברסיטת סטנפורד שהוא החוקר הראשי.

המאיצים הקיימים היום משתמשים בגלי-מיקרו לשם הגברת האנרגיה של האלקטרונים. חוקרים בתחום תרים תדיר אחר חלופות כלכליות יותר, וטכנולוגיה חדשה זו, העושה שימוש בלייזרים מהירים במיוחד להפעלת המאיץ, מהווה מועמד מוביל לחלופות אלו. חלקיקים מואצים בדרך כלל בשני שלבים נפרדים: בשלב הראשון הם מואצים לכמעט מהירות האור. מרגע זה כל האצה נוספת מגבירה אומנם את האנרגיה האצורה באלקטרונים, אולם לא את מהירותם; זהו החלק המאתגר של התחום.

בניסויים שבוצעו בעזרת המאיץ בתוך השבב, האלקטרונים מואצים בשלב הראשון לכמעט מהירות האור בתוך מאיץ רגיל. בשלב הבא הם מרוכזים לתוך נקב דקיק ביותר בגובה של חצי מיקרון הנמצא בשבב דחוס של זכוכית סיליקה. בנקב נחרטו חריצים ננומטריים המרוחקים זה מזה במרווחים מדויקים. אלומת לייזר בתחום האינפרא-אדום המוקרנת על פני החריצים מייצרת שדות חשמליים המגיבים עם האלקטרונים שבנקב תוך כדי הגברת האנרגיה שלהם.

הפיכתו של המאיץ בתוך השבב למאיץ שולחני מוגמר תחייב פיתוח של דרך יעילה יותר להאצת האלקטרונים טרם כניסתם להתקן עצמו. אחד מהיישומים העתידיים האפשריים של הטכנולוגיה הזו יהיה התקנים ניידים וקטנים לייצור קרינת רנטגן, כאלה שיוכלו לשפר את הטיפול הרפואי הניתן ללוחמים הנפצעים במהלך הקרבות, ולהיות מותקנים בתוך מכשירי דימות רפואי זולים ויעילים יותר עבור בתי-חולים ומעבדות.


סרטון המתאר את הטכנולוגיה

הידיעה על המחקר

הערת העורך: שבב זה לא בא להחליף את מאיצי החלקיקים העצומים כגון זה שבסרן, למרות מה שנכתב על כך בכלי תקשורת ישראליים אחרים אלא מאיצים שאורכם עשרות סנטימטרים הנמצאים במכשירי דימות רפואי כגון MRI ובמספר מכשירים מדעיים קטנים, שגם בהם נעשה שימוש במאיצים לצורך זיהוי הרכב חומרים או בדיקת תכונות פיסיקליות של חומר. מלבד סדרי הגודל במאיצי החלקיקים שבסרן מפצחים את גרעין האטום לתת-חלקיקים עוד יותר קטנים, ואילו ב-MRI נעשה פשוט שימוש באלקטרונים מואצים ולא בחלקיקים אחרים. מאיץ אלקטרונים (כמו בסרן) הוא שם גנרי להאצת חלקיקים שאינם בהכרח אלקטרונים ופה מדובר רק על האלקטרונים. א.ב. ותודה גם לד"ר משה נחמני.

5 תגובות ל “מאיצי חלקיקים בגודל שבב”

  1. יוסי

    יש עוד סוג של שבב של אור בתדר IR, שמשמש ליישום מסלול ארוך. נקרא מוביל גלים (waveguide), והמכשיר נקרא Fourier Transform Infra Red (FTIR), ויש לו יישומים בבדיקת לחץ דם, פרמטרים דמיים רבים, סוכרת,כדוריות, בבדיקות לא פולשניות ללא מחט. מובן שספקטרום אנלייזר אופטי של חומרים כמו ב CSI, הוא לפעמים FTIR. אין כאן האצת פוטונים אלא יצירת הסחת פאזה בין 2 גלים מאותו מקור, והתאבכות בין הגלים, כך שהתמרת פורייה של האור העובר בתווך הנבדק, מתקבלת שזה ספקטרום של האור העובר בתווך.

  2. יוסי

    ליוסי הקודם: בד"כ מאיצים קרן אלקטרונים בכיוון ניצב לשדה המגנטי כמו בשפופרת קרן קתודית ומקרינים אותה על מסך. התמונה הנוצרת היא אולי תמונת המוח.

  3. יוסי

    ממתי יש מאיצי חלקיקים ב MRI??
    ב MRI יש מגנט גדול שיוצר גרדיאנט של שדה מגנטי ומשדרים עליו גלי רדיו. אין שום דבר טעון שנורה שם.

  4. ערן

    וואו ..כל פעם אני פשוט נדהם מחדש מהקצב המדהים שבו מדעים שכאלה מתקדמים , בעיקר לנוכח אחרים כמו חקר חלל והנעה רקטית ( פשוט שלא יכול תמיד להמנע מלהשוות נושאים עתידניים לזה ) .
    יש היום כל כך הרבה דברים בשטח שאפילו בספרי מדע בדיוני לא חשבו עליהם בכלל שיהיו .

הוספת תגובה

  • (will not be published)