Die bekende beginsel van "meer is kragtiger" is lank reeds in baie sektore van die samelewing gevestig, insluitend wetenskap en tegnologie. In moderne realiteite word die praktiese implementering van die gesegde “klein, maar magtig” egter al hoe meer algemeen. Dit word gemanifesteer in rekenaars, wat voorheen 'n hele kamer in beslag geneem het, maar nou in die palm van 'n kind pas, en in gelaaide deeltjieversnellers. Ja, onthou die Large Hadron Collider (LHC), wie se indrukwekkende afmetings (26 659 m lank) letterlik in sy naam aangedui word? Dit is dus reeds iets van die verlede volgens wetenskaplikes van DESY, wat 'n miniatuurweergawe van die versneller ontwikkel het, wat nie minderwaardig is in werkverrigting as sy volgrootte voorganger nie. Boonop het die miniversneller selfs 'n nuwe wêreldrekord onder terahertzversnellers opgestel, wat die energie van die ingebedde elektrone verdubbel. Hoe is die miniatuurversneller ontwikkel, wat is die basiese beginsels van sy werking, en wat het praktiese eksperimente getoon? Die verslag van die navorsingsgroep sal ons help om hieroor uit te vind. Gaan.
Navorsingsbasis
Volgens Dongfang Zhang en sy kollegas by DESY (Duitse Electron Synchrotron), wat die mini-versneller ontwikkel het, speel ultravinnige elektronbronne 'n ongelooflike belangrike rol in die lewe van die moderne samelewing. Baie van hulle verskyn in medisyne, elektroniese ontwikkeling en wetenskaplike navorsing. Die grootste probleem met huidige lineêre versnellers wat radiofrekwensie-ossillators gebruik, is hul hoë koste, komplekse infrastruktuur en indrukwekkende kragverbruik. En sulke tekortkominge beperk die beskikbaarheid van sulke tegnologieë tot 'n groter verskeidenheid gebruikers.
Hierdie ooglopende probleme is 'n groot aansporing om toestelle te ontwikkel waarvan die grootte en kragverbruik nie afgryse sal veroorsaak nie.
Onder die relatiewe nuwighede in hierdie bedryf is terahertz-versnellers, wat 'n aantal "voordele" inhou:
- Daar word verwag dat kort golwe en kort pulse van terahertz-straling die drumpel aansienlik sal verhoog afbreek*, veroorsaak deur die veld, wat versnellingsgradiënte sal verhoog;
Elektriese onklaarraking* - 'n skerp toename in stroomsterkte wanneer 'n spanning bo die kritieke een toegepas word.
- die teenwoordigheid van effektiewe metodes vir die opwekking van hoëveld-terahertz-straling maak voorsiening vir interne sinchronisasie tussen elektrone en opwekkingsvelde;
- Klassieke metodes kan gebruik word om sulke toestelle te skep, maar hul koste, produksietyd en grootte sal aansienlik verminder word.
Wetenskaplikes meen hul millimeterskaal terahertzversneller is ’n kompromie tussen konvensionele versnellers wat tans beskikbaar is en mikroversnellers wat ontwikkel word, maar het baie nadele weens hul baie klein afmetings.
Navorsers ontken nie dat terahertz-versnellingstegnologie al 'n geruime tyd in ontwikkeling is nie. Na hulle mening is daar egter nog baie aspekte op hierdie gebied wat nie bestudeer, getoets of geïmplementeer is nie.
In hul werk, wat ons vandag oorweeg, demonstreer wetenskaplikes die vermoëns van STEAM (gesegmenteerde terahertz-elektronversneller en -manipuleerder) - 'n gesegmenteerde terahertz-elektronversneller en -manipuleerder. STOOM maak dit moontlik om die lengte van die elektronstraal tot sub-pikosekonde duur te verminder, waardeur femtosekonde beheer oor die versnellingsfase verskaf word.
Dit was moontlik om 'n versnellingsveld van 200 MV/m (MV - megavolt) te bereik, wat lei tot 'n rekord terahertz-versnelling van > 70 keV (kiloe-elektronvolt) vanaf die ingebedde elektronstraal met 'n energie van 55 keV. Op hierdie manier is versnelde elektrone tot 125 keV verkry.
Toestelstruktuur en implementering
Beeld nr. 1: diagram van die toestel wat bestudeer word.
Beeld No. 1-2: a - diagram van die ontwikkelde 5-laag gesegmenteerde struktuur, b - verhouding van die berekende versnelling en rigting van elektronvoortplanting.
Elektronstrale (55 keV) word gegenereer uit elektrongeweer* en word in die terahertz STEAM-buncher (balkkompressor) ingevoer, waarna hulle in die STEAM-linac (lineêre versneller*).
Elektrongeweer* — 'n toestel vir die opwekking van 'n straal elektrone van die vereiste konfigurasie en energie.
Lineêre versneller* - 'n versneller waarin gelaaide deeltjies slegs een keer deur die struktuur beweeg, wat 'n lineêre versneller van 'n sikliese een (byvoorbeeld die LHC) onderskei.
Beide STEAM-toestelle ontvang terahertz-pulse van 'n enkele naby-infrarooi (NIR) laser, wat ook die elektrongeweer se fotokatode afvuur, wat lei tot interne sinchronisasie tussen elektrone en versnellende velde. Ultravioletpulse vir foto-emissie by die fotokatode word deur twee opeenvolgende stadiums gegenereer GVG* fundamentele golflengte van naby-infrarooi lig. Hierdie proses skakel 'n 1020 nm laserpuls eers om na 510 nm en dan na 255 nm.
GVG* (optiese tweede harmoniese generasie) is die proses om fotone van dieselfde frekwensie te kombineer tydens interaksie met 'n nie-lineêre materiaal, wat lei tot die vorming van nuwe fotone met dubbel die energie en frekwensie, sowel as die helfte van die golflengte.
Die res van die NIR-laserstraal word in 4 strale verdeel, wat gebruik word om vier enkelsiklus terahertz-pulse te genereer deur intra-pulsfrekwensieverskille te genereer.
Die twee terahertz-pulse word dan aan elke STEAM-toestel gelewer deur simmetriese horingstrukture wat die terahertz-energie in die interaksiegebied oor die rigting van elektronvoortplanting lei.
Wanneer elektrone elke STOOM-toestel binnedring, word hulle aan elektriese en magnetiese komponente blootgestel Lorentz dwing*.
Lorentz krag* - die krag waarmee die elektromagnetiese veld op 'n gelaaide deeltjie inwerk.
In hierdie geval is die elektriese veld verantwoordelik vir versnelling en vertraging, en die magnetiese veld veroorsaak laterale afbuigings.
Prent #2
Soos ons in die beelde sien 2a и 2b, Binne elke STEAM-toestel word die terahertz-balke dwars deur dun metaalplate verdeel in verskeie lae van wisselende dikte, wat elkeen as 'n golfleier dien, wat 'n deel van die totale energie na die interaksiegebied oordra. Daar is ook diëlektriese plate in elke laag om die aankomstyd van die terahertz te koördineer golf voor* met die voorkant van elektrone.
Golffront* - die oppervlak waarheen die golf bereik het.
Beide STEAM-toestelle werk in elektriese modus, dit wil sê op so 'n manier dat 'n elektriese veld toegepas word en 'n magnetiese veld in die middel van die interaksie-area onderdruk word.
In die eerste toestel word elektrone ingestel om deur te gaan nul kruising* terahertz-veld, waar tydgradiënte van die elektriese veld gemaksimeer word en die gemiddelde veld geminimaliseer word.
Nul kruising* - 'n punt waar daar geen spanning is nie.
Hierdie konfigurasie veroorsaak dat die stert van die elektronstraal versnel en sy kop vertraag, wat lei tot ballistiese longitudinale fokus (2a и 2s).
In die tweede toestel word die sinchronisasie van die elektron- en terahertz-straling so gestel dat die elektronstraal slegs 'n negatiewe siklus van die terahertz-elektriese veld ervaar. Hierdie konfigurasie lei tot 'n netto deurlopende versnelling (2b и 2d).
Die NIR-laser lyk soos 'n kriogenies afgekoelde Yb:YLF-stelsel, wat optiese pulse van 1.2 ps-duur en 50 mJ-energie by 'n golflengte van 1020 nm en 'n herhalingstempo van 10 Hz produseer. En terahertz-pulse met 'n sentrale frekwensie van 0.29 terahertz (periode van 3.44 ps) word gegenereer deur die skuins polsfrontmetode.
Om die STEAM-buncher (balkkompressor) aan te dryf is slegs 2 x 50 nJ terahertz-energie gebruik, en die STEAM-linac (lineêre versneller) het 2 x 15 mJ benodig.
Die deursnee van die inlaat- en uitlaatgate van beide STEAM-toestelle is 120 mikron.
Die balkkompressor is ontwerp met drie lae van gelyke hoogte (0 mm), wat toegerus is met saamgesmelte silikaplate (ϵr = 225) van lengte 4.41 en 0.42 mm om tydsberekening te beheer. Die gelyke hoogtes van die kompressorlae weerspieël die feit dat daar geen versnelling is nie (2s).
Maar in die lineêre versneller is die hoogtes reeds verskillend - 0.225, 0.225 en 0.250 mm (+ saamgesmelte kwartsplate 0.42 en 0.84 mm). 'n Toename in die hoogte van die laag verklaar die toename in die spoed van elektrone tydens versnelling.
Wetenskaplikes merk op dat die aantal lae direk verantwoordelik is vir die funksionaliteit van elk van die twee toestelle. Die bereiking van hoër versnellingstempo's sal byvoorbeeld meer lae en verskillende hoogtekonfigurasies vereis om interaksie te optimaliseer.
Resultate van praktiese eksperimente
Eerstens herinner die navorsers daaraan dat in tradisionele radiofrekwensieversnellers, die effek van die tydelike omvang van die ingebedde elektronstraal op die eienskappe van die versnelde straal te wyte is aan die verandering in die elektriese veld wat ervaar word tydens die interaksie van verskillende elektrone binne die straal wat aankom. op verskillende tye. Dit kan dus verwag word dat velde met hoër gradiënte en balke met langer duur tot 'n groter energieverspreiding sal lei. Ingespuite strale van lang duur kan ook tot hoër waardes lei emissies*.
Emissie* — faseruimte wat deur 'n versnelde straal van gelaaide deeltjies ingeneem word.
In die geval van 'n terahertz-versneller is die tydperk van die opwekkingsveld ongeveer 200 keer korter. Vandaar, spanning* die ondersteunde veld sal 10 keer hoër wees.
Elektriese veldsterkte* - 'n aanduiding van die elektriese veld, gelyk aan die verhouding van die krag wat toegepas word op 'n stilstaande puntlading wat op 'n gegewe punt in die veld geplaas is tot die grootte van hierdie lading.
Dus, in 'n terahertz-versneller kan die veldgradiënte wat deur elektrone ervaar word verskeie grootteordes hoër wees as in 'n konvensionele toestel. Die tydskaal waarop die veldkromming waarneembaar is, sal aansienlik kleiner wees. Dit volg hieruit dat die duur van die ingevoerde elektronstraal 'n meer uitgesproke effek sal hê.
Wetenskaplikes het besluit om hierdie teorieë in die praktyk te toets. Om dit te doen, het hulle elektronstrale van verskillende duur ingebring, wat beheer is deur kompressie met behulp van die eerste STEAM-toestel (STEAM-buncher).
Prent #3
In die geval waar die kompressor nie aan 'n kragbron gekoppel was nie, het strale elektrone (55 keV) met 'n lading van ~1 fC (femtoculomb) ongeveer 300 mm vanaf die elektrongeweer na die lineêre versnellertoestel (STEAM-linac) beweeg. Hierdie elektrone kan uitsit onder die invloed van ruimteladingskragte tot 'n duur van meer as 1000 fs (femtosekunde).
Teen hierdie tydsduur het die elektronstraal ongeveer 60% van die halfgolflengte van die versnellingsveld beset met 'n frekwensie van 1,7 ps, wat 'n na-versnellingsenergiespektrum tot gevolg gehad het met 'n piek by 115 keV en 'n halfwydte van die energieverspreiding groter as 60 keV (3a).
Om hierdie resultate te vergelyk met dié wat verwag is, is die situasie van elektronvoortplanting deur 'n lineêre versneller gesimuleer wanneer die elektrone nie gesinchroniseer is met (d.w.s. nie gesinchroniseer met) die optimale inspuittyd. Berekeninge van hierdie situasie het getoon dat die toename in elektronenergie baie afhanklik is van die oomblik van inspuiting, tot op 'n subpikosekonde tydskaal (3b). Dit wil sê, met 'n optimale instelling sal die elektron 'n volle halfsiklus van terahertz-stralingversnelling in elke laag ervaar (3s).
As die elektrone op verskillende tye aankom, ervaar hulle minder versnelling in die eerste laag, wat maak dat hulle langer neem om daardeur te reis. Die desinchronisasie neem dan toe in die volgende lae, wat ongewenste verlangsaming veroorsaak (3d).
Om die negatiewe effek van die tydelike verlenging van die elektronstraal te minimaliseer, het die eerste STOOM-toestel in kompressiemodus gewerk. Die tydsduur van die elektronstraal by die linac is geoptimaliseer tot 'n minimum van ~350 fs (halwe breedte) deur die terahertz-energie wat aan die kompressor verskaf word, te verstel en die linac na arcmodus oor te skakel (4b).
Prent #4
Die minimum straalduur is ingestel in ooreenstemming met die duur van die fotokatode UV-puls, wat ~600 fs was. Die afstand tussen die kompressor en die strook het ook 'n belangrike rol gespeel, wat die spoed van die verdikkingskrag beperk het. Saam maak hierdie maatreëls femtosekonde-presisie in die inspuitfase van die versnellingsfase moontlik.
Op die beeld 4a dit kan gesien word dat die energieverspreiding van die saamgeperste elektronstraal na geoptimaliseerde versnelling in 'n lineêre versneller met ~ 4 keer afneem in vergelyking met die ongecomprimeerde een. As gevolg van versnelling word die energiespektrum van die saamgeperste bundel na hoër energieë verskuif, in teenstelling met die ongecomprimeerde bundel. Die piek van die energiespektrum na versnelling is ongeveer 115 keV, en die hoë-energie stert bereik ongeveer 125 keV.
Hierdie syfers, volgens die beskeie verklaring van wetenskaplikes, is 'n nuwe versnellingsrekord (voor versnelling was dit 70 keV) in die terahertz-reeks.
Maar om energieverspreiding te verminder (4a), moet 'n selfs korter straal bereik word.
Prent #5
In die geval van 'n ongecomprimeerde ingevoerde bundel, openbaar die paraboliese afhanklikheid van die bundelgrootte op die stroom die transversale emittansie in die horisontale en vertikale rigtings: εx,n = 1.703 mm*mrad en εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompressie het op sy beurt die transversale emittansie met 6 keer verbeter tot εx,n = 0,285 mm*mrad (horisontaal) en εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikaal).
Dit is opmerklik dat die mate van emittansievermindering ongeveer twee keer so groot is as die graad van bundelduurvermindering, wat 'n maatstaf is van die nie-lineariteit van die interaksiedinamika met tyd wanneer elektrone sterk fokus en defokusering van die magnetiese veld tydens versnelling ervaar (5b и 5s).
Op die beeld 5b Dit kan gesien word dat elektrone wat op die optimale tyd ingebring word die hele halfsiklus van die elektriese veldversnelling ervaar. Maar elektrone wat voor of na die optimale tyd arriveer, ervaar minder versnelling en selfs gedeeltelike vertraging. Sulke elektrone eindig met minder energie, rofweg gesproke.
'n Soortgelyke situasie word waargeneem wanneer dit aan 'n magnetiese veld blootgestel word. Elektrone wat op die optimale tyd ingespuit word, ervaar simmetriese hoeveelhede positiewe en negatiewe magnetiese velde. As die invoering van elektrone voor die optimale tyd plaasgevind het, was daar meer positiewe velde en minder negatiewe. As elektrone later as die optimale tyd ingevoer word, sal daar minder positiewe en meer negatiewe (5s). En sulke afwykings lei tot die feit dat die elektron na links, regs, op of af kan afwyk, afhangende van sy posisie relatief tot die as, wat lei tot 'n toename in die transversale momentum wat ooreenstem met fokus of defokus van die straal.
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk и aan hom.
Epiloog
Samevattend, versnellerprestasie sal toeneem as die duur van die elektronstraal verminder word. In hierdie werk is die bereikbare straalduur beperk deur die geometrie van die installasie. Maar in teorie kan die straalduur minder as 100 fs bereik.
Wetenskaplikes merk ook op dat die kwaliteit van die balk verder verbeter kan word deur die hoogte van die lae te verminder en hul aantal te vermeerder. Hierdie metode is egter nie sonder probleme nie, veral om die kompleksiteit van die vervaardiging van die toestel te verhoog.
Hierdie werk is die aanvanklike stadium van 'n meer uitgebreide en gedetailleerde studie van 'n miniatuur weergawe van 'n lineêre versneller. Ten spyte van die feit dat die getoetste weergawe reeds uitstekende resultate toon, wat met reg rekord-breek genoem kan word, is daar nog baie werk om te doen.
Dankie vir die lees, bly nuuskierig en geniet 'n wonderlike week ouens! 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, 30% afslag vir Habr-gebruikers op 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com