Một loại cảm biến điện quang tích hợp trên chip vừa được thử nghiệm thành công tại cơ sở máy gia tốc Argonne Wakefield Accelerator (Mỹ), cho phép đo các xung điện từ siêu nhanh với độ chính xác chưa từng có. Kết quả này không chỉ đơn giản hóa việc chẩn đoán chùm hạt trong máy gia tốc mà còn tạo nền tảng cho các nghiên cứu vật lý năng lượng cao, khoa học vật liệu và ứng dụng y sinh trong tương lai.

 

Nghiên cứu mới cho thấy một loại cảm biến kích thước nhỏ, tích hợp nhiều thành phần trên cùng một vi mạch, có thể đo nhanh các xung điện từ cực ngắn sinh ra trong quá trình vận hành máy gia tốc hạt. Thành tựu này được thực hiện trong khuôn khổ sáng kiến BeamNetUS, khi nhóm nghiên cứu thử nghiệm thành công thiết bị tại Argonne Wakefield Accelerator (AWA) - cơ sở nghiên cứu máy gia tốc electron thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE).

AWA là một trong những cơ sở thử nghiệm chùm hạt quan trọng phục vụ nghiên cứu các công nghệ máy gia tốc thế hệ mới, bao gồm những hệ thống dự kiến được sử dụng trong các máy va chạm hạt tương lai. Đây cũng là một trong 12 cơ sở tham gia chương trình BeamNetUS, sáng kiến nhằm mở rộng quyền tiếp cận các hạ tầng nghiên cứu máy gia tốc tiên tiến cho cộng đồng khoa học, công nghiệp và học thuật.

Công trình do Ingrid Wilke, giáo sư vật lý tại Rensselaer Polytechnic Institute, dẫn dắt, tập trung vào cải thiện các phương pháp đo và phân tích chùm electron với độ chính xác và tốc độ rất cao. Trong nghiên cứu máy gia tốc, chẩn đoán chùm hạt là bước thiết yếu để hiểu cách chùm electron hoạt động và tối ưu hiệu suất của thiết bị.

Trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một cảm biến điện quang mới, phát triển cùng đối tác công nghiệp Partow Technologies LLC. Thiết bị sử dụng vật liệu lithium niobate dạng màng mỏng, có khả năng chuyển đổi điện trường của chùm electron thành tín hiệu quang học. Nhờ đó, cảm biến có thể phát hiện các xung bức xạ terahertz (THz) cực nhanh sinh ra khi chùm electron năng lượng cao va vào lá kim loại. Bức xạ THz nằm giữa vi sóng và hồng ngoại trong phổ điện từ, có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ. Điểm đáng chú ý là cảm biến có kích thước nhỏ gọn nhưng đạt độ chính xác ở mức femto giây, tương đương một phần triệu của một phần tỷ giây. Mức độ phân giải thời gian này cho phép các nhà khoa học quan sát chi tiết hành vi của chùm hạt theo cách trước đây rất khó thực hiện.

Ý nghĩa đối với công nghệ máy gia tốc và ứng dụng khoa học

Độ chính xác cao trong đo lường giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn cách chùm hạt biến đổi trong quá trình tăng tốc, từ đó điều chỉnh hệ thống hiệu quả hơn. Những cải tiến này có ý nghĩa trực tiếp đối với nhiều lĩnh vực khoa học, từ vật lý hạt cơ bản đến khoa học vật liệu và y học.

Chẳng hạn, trong y học, các kỹ thuật xạ trị tiên tiến như proton therapy đòi hỏi chùm hạt được kiểm soát cực kỳ chính xác để tiêu diệt tế bào ung thư mà hạn chế tổn thương mô lành. Các công cụ chẩn đoán chùm hạt tốt hơn có thể góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu quả của những phương pháp điều trị này. Cảm biến điện quang mới cũng được kỳ vọng tăng cường khả năng của các cơ sở nghiên cứu dựa trên máy gia tốc như Advanced Photon Source (APS) tại Argonne, một trong những nguồn tia X mạnh nhất thế giới dùng để nghiên cứu cấu trúc vật liệu và sinh học. Nhờ khả năng chống nhiễu điện tốt, thiết bị giúp giảm sai số trong đo đạc, vốn là vấn đề thường gặp trong môi trường nghiên cứu có tín hiệu điện mạnh.

Ngoài nghiên cứu cơ bản, công nghệ này còn có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp, nơi việc giám sát chính xác các quá trình năng lượng cao là yếu tố quan trọng cho kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa sản xuất.

Hạ tầng linh hoạt và vai trò của hợp tác khoa học

Thử nghiệm thành công cũng cho thấy vai trò của AWA như một môi trường thử nghiệm linh hoạt cho các công nghệ mới. Cơ sở này có khả năng tạo ra các xung electron mạnh và kiểm soát chúng với độ chính xác cao trong không gian và thời gian, cho phép các nhà khoa học kiểm tra những ý tưởng mới về gia tốc hạt và động học chùm tia. Trong thí nghiệm, khả năng đồng bộ hóa xung laser của AWA giúp các nhà nghiên cứu kết nối cảm biến với hệ thống đo quang học thông qua sợi quang linh hoạt, từ đó theo dõi những biến đổi cực nhanh của chùm electron. Các công cụ như đường trễ điện tử cũng cho phép tinh chỉnh thời gian tín hiệu, nâng cao độ chính xác của phép đo.

Nhìn rộng hơn, sự phát triển của các công cụ đo lường chính xác như cảm biến điện quang trên chip cho thấy nghiên cứu máy gia tốc đang chuyển sang giai đoạn mới, nơi những cải tiến về thiết bị đo và vật liệu có thể tạo ra tác động lớn không kém so với các đột phá về lý thuyết, góp phần thúc đẩy tiến bộ trong khoa học cơ bản và các công nghệ ứng dụng quy mô lớn.

N.P.A (NASTIS), theo Newswise