لقد تم ترسيخ المبدأ المألوف المتمثل في "الأكثر هو الأقوى" منذ فترة طويلة في العديد من قطاعات المجتمع، بما في ذلك العلوم والتكنولوجيا. ومع ذلك، في الواقع الحديث، أصبح التنفيذ العملي للقول "صغير، ولكن الأقوياء" شائعا بشكل متزايد. يتجلى ذلك في أجهزة الكمبيوتر، التي كانت تشغل غرفة بأكملها في السابق، ولكنها تناسب الآن راحة الطفل، وفي مسرعات الجسيمات المشحونة. نعم، هل تتذكر مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، الذي يُشار حرفيًا إلى أبعاده المثيرة للإعجاب (طوله 26 مترًا) في اسمه؟ لذا، فقد أصبح هذا بالفعل شيئًا من الماضي وفقًا لعلماء DESY، الذين طوروا نسخة مصغرة من المسرع، وهو ليس أقل شأناً في الأداء من سابقه بالحجم الكامل. علاوة على ذلك، سجل المسرع الصغير رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا بين مسرعات تيراهيرتز، حيث ضاعف طاقة الإلكترونات المدمجة. كيف تم تطوير المعجل المصغر، وما هي المبادئ الأساسية لتشغيله، وماذا أظهرت التجارب العملية؟ سيساعدنا تقرير مجموعة البحث في معرفة ذلك. يذهب.
أساس البحث
وفقًا لـ Dongfang Zhang وزملائه في DESY (السينكروترون الإلكتروني الألماني)، الذين طوروا المسرع الصغير، تلعب مصادر الإلكترون فائقة السرعة دورًا مهمًا بشكل لا يصدق في حياة المجتمع الحديث. ويظهر الكثير منها في الطب وتطوير الإلكترونيات والبحث العلمي. أكبر مشكلة في المسرعات الخطية الحالية التي تستخدم مذبذبات الترددات الراديوية هي تكلفتها العالية، وبنيتها التحتية المعقدة، واستهلاكها المذهل للطاقة. وتحد أوجه القصور هذه إلى حد كبير من إتاحة مثل هذه التقنيات لمجموعة واسعة من المستخدمين.
تمثل هذه المشكلات الواضحة حافزًا كبيرًا لتطوير أجهزة لا يسبب حجمها واستهلاكها للطاقة أي رعب.
ومن بين المستجدات النسبية في هذه الصناعة مسرعات تيراهيرتز، التي لها عدد من "الفوائد":
- ومن المتوقع أن تؤدي الموجات القصيرة والنبضات القصيرة من إشعاع تيراهيرتز إلى زيادة العتبة بشكل كبير انفصال*، بسبب المجال، مما سيزيد من تدرجات التسارع؛
الأعطال الكهربائية* - زيادة حادة في قوة التيار عند تطبيق جهد أعلى من المستوى الحرج.
- وجود طرق فعالة لتوليد إشعاع تيراهيرتز عالي المجال يسمح بالتزامن الداخلي بين الإلكترونات ومجالات الإثارة؛
- لإنشاء مثل هذه الأجهزة، يمكن استخدام الأساليب الكلاسيكية، ولكن سيتم تقليل تكلفتها ووقت الإنتاج وحجمها بشكل كبير.
يعتقد العلماء أن مسرع تيراهيرتز الذي يبلغ حجمه ملليمترًا هو بمثابة حل وسط بين المسرعات التقليدية المتوفرة حاليًا والمسرعات الدقيقة التي يتم تطويرها، ولكن لها العديد من العيوب نظرًا لأبعادها الصغيرة جدًا.
لا ينكر الباحثون أن تقنية تسريع تيراهيرتز كانت قيد التطوير لبعض الوقت. إلا أنهم يرون أنه لا تزال هناك جوانب كثيرة في هذا المجال لم تتم دراستها أو اختبارها أو تنفيذها.
في عملهم الذي ندرسه اليوم، يوضح العلماء قدرات STEAM (مسرع الإلكترون تيراهيرتز مجزأة ومناور) - مسرع ومناور للإلكترون تيراهيرتز مجزأ. يتيح STEAM إمكانية تقليل طول شعاع الإلكترون إلى مدة أقل من البيكو ثانية، وبالتالي توفير التحكم بالفيمتو ثانية في مرحلة التسارع.
كان من الممكن تحقيق مجال تسارع قدره 200 ميجافولت/م (MV - ميجافولت)، مما يؤدي إلى تسارع تيراهيرتز قياسي > 70 كيلو إلكترون فولت (كيلو إلكترون فولت) من شعاع الإلكترون المدمج بطاقة تبلغ 55 كيلو إلكترون فولت. وبهذه الطريقة تم الحصول على إلكترونات متسارعة تصل إلى 125 كيلو إلكترون فولت.
هيكل الجهاز وتنفيذه
الصورة رقم 1: رسم تخطيطي للجهاز قيد الدراسة.
الصورة رقم 1-2: أ - رسم تخطيطي للبنية المجزأة المكونة من 5 طبقات، ب - نسبة التسارع المحسوب واتجاه انتشار الإلكترون.
يتم توليد حزم الإلكترون (55 كيلو فولت) من المسدس الإلكتروني* ويتم إدخالها في terahertz STEAM-buncher (ضاغط الشعاع)، وبعد ذلك تمر في STEAM-linac (معجل خطي*).
المسدس الإلكتروني* — جهاز لتوليد شعاع من الإلكترونات بالتكوين والطاقة المطلوبة.
معجل خطي* - مسرع تمر فيه الجسيمات المشحونة عبر الهيكل مرة واحدة فقط، وهو ما يميز المسرع الخطي عن المسرع الدوري (على سبيل المثال، LHC).
يتلقى كلا الجهازين STEAM نبضات تيراهيرتز من ليزر واحد قريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR)، والذي يطلق أيضًا الكاثود الضوئي لمدفع الإلكترون، مما يؤدي إلى تزامن داخلي بين الإلكترونات والمجالات المتسارعة. يتم إنشاء نبضات الأشعة فوق البنفسجية للإصدار الضوئي عند الكاثود الضوئي من خلال مرحلتين متتاليتين جي في جي* الطول الموجي الأساسي للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء. تقوم هذه العملية بتحويل نبضة ليزر طولها 1020 نانومتر أولاً إلى 510 نانومتر ثم إلى 255 نانومتر.
جي في جي* (الجيل التوافقي الثاني البصري) هو عملية دمج الفوتونات ذات التردد نفسه أثناء التفاعل مع مادة غير خطية، مما يؤدي إلى تكوين فوتونات جديدة ذات ضعف الطاقة والتردد، وكذلك نصف الطول الموجي.
يتم تقسيم ما تبقى من شعاع الليزر NIR إلى 4 حزم، والتي تستخدم لتوليد أربع نبضات تيراهيرتز أحادية الدورة عن طريق توليد اختلافات تردد داخل النبضة.
يتم بعد ذلك تسليم نبضتي تيراهيرتز إلى كل جهاز STEAM من خلال هياكل بوق متناظرة توجه طاقة تيراهيرتز إلى منطقة التفاعل عبر اتجاه انتشار الإلكترون.
عندما تدخل الإلكترونات إلى كل جهاز STEAM، فإنها تتعرض لمكونات كهربائية ومغناطيسية قوات لورنتز*.
قوة لورنتز* - القوة التي يؤثر بها المجال الكهرومغناطيسي على الجسيم المشحون.
وفي هذه الحالة يكون المجال الكهربائي هو المسؤول عن التسارع والتباطؤ، والمجال المغناطيسي يسبب انحرافات جانبية.
الصورة رقم 2
كما نرى في الصور 2а и 2b، داخل كل جهاز STEAM، يتم تقسيم حزم تيراهيرتز بشكل عرضي بواسطة صفائح معدنية رقيقة إلى عدة طبقات ذات سماكات مختلفة، تعمل كل منها كدليل موجي، حيث تنقل جزءًا من إجمالي الطاقة إلى منطقة التفاعل. توجد أيضًا ألواح عازلة في كل طبقة لتنسيق وقت وصول التيراهيرتز جبهة الموجة* مع مقدمة الإلكترونات.
واجهة الموجة* - السطح الذي وصلت إليه الموجة.
يعمل كلا جهازي STEAM في الوضع الكهربائي، أي بطريقة تفرض مجالًا كهربائيًا وتقمع المجال المغناطيسي في وسط منطقة التفاعل.
في الجهاز الأول، يتم توقيت مرور الإلكترونات عبره معبر الصفر* مجال تيراهيرتز، حيث يتم تعظيم التدرجات الزمنية للمجال الكهربائي وتقليل متوسط المجال إلى الحد الأدنى.
معبر الصفر* - نقطة لا يوجد فيها توتر.
يؤدي هذا التكوين إلى تسارع ذيل شعاع الإلكترون وتباطؤ رأسه، مما يؤدي إلى التركيز الطولي الباليستي (2а и 2s).
في الجهاز الثاني، يتم ضبط تزامن إشعاع الإلكترون وتيراهيرتز بحيث يواجه شعاع الإلكترون دورة سلبية فقط من مجال تيراهيرتز الكهربائي. ينتج عن هذا التكوين تسارع مستمر صافي (2b и 2d).
ليزر NIR عبارة عن نظام Yb: YLF مبرد بالتبريد وينتج نبضات بصرية مدتها 1.2 ps وطاقة 50 مللي جول بطول موجة يبلغ 1020 نانومتر ومعدل تكرار قدره 10 هرتز. ويتم إنشاء نبضات تيراهيرتز بتردد مركزي قدره 0.29 تيراهيرتز (فترة 3.44 ps) بواسطة طريقة النبضة الأمامية المائلة.
لتشغيل وحدة STEAM-buncher (ضاغط الحزمة)، تم استخدام 2 × 50 نيوجول فقط من طاقة تيراهيرتز، ويتطلب STEAM-linac (المسرع الخطي) 2 × 15 مللي جول.
يبلغ قطر فتحات الدخول والخروج لكلا جهازي STEAM 120 ميكرون.
تم تصميم الضاغط الشعاعي بثلاث طبقات متساوية الارتفاع (0 مم)، وهي مجهزة بألواح السيليكا المنصهرة (ϵr = 225) بطول 4.41 و0.42 مم للتحكم في التوقيت. تعكس الارتفاعات المتساوية لطبقات الضاغط حقيقة عدم وجود تسارع (2s).
لكن في المسرع الخطي تكون الارتفاعات مختلفة بالفعل - 0.225 و 0.225 و 0.250 مم (+ ألواح الكوارتز المنصهرة 0.42 و 0.84 مم). الزيادة في ارتفاع الطبقة تفسر الزيادة في سرعة الإلكترونات أثناء التسارع.
ويشير العلماء إلى أن عدد الطبقات هو المسؤول بشكل مباشر عن وظيفة كل جهاز من الجهازين. على سبيل المثال، يتطلب تحقيق معدلات تسارع أعلى المزيد من الطبقات وتكوينات ارتفاع مختلفة لتحسين التفاعل.
نتائج التجارب العملية
أولاً، يذكر الباحثون أنه في مسرعات الترددات الراديوية التقليدية، فإن تأثير المدى الزمني لشعاع الإلكترون المدمج على خصائص الشعاع المتسارع يرجع إلى التغير في المجال الكهربائي الذي يحدث أثناء تفاعل الإلكترونات المختلفة داخل الشعاع الواصل. في أوقات مختلفة. وبالتالي، يمكن توقع أن الحقول ذات التدرجات الأعلى والحزم ذات فترات أطول ستؤدي إلى انتشار أكبر للطاقة. يمكن أن تؤدي الحزم المحقونة لمدة طويلة أيضًا إلى قيم أعلى الانبعاثات*.
الانبعاث * - مساحة الطور التي يشغلها شعاع متسارع من الجسيمات المشحونة.
في حالة مسرع تيراهيرتز، تكون فترة مجال الإثارة أقصر بحوالي 200 مرة. لذلك، توتر* سيكون الحقل المدعوم أعلى بـ 10 مرات.
قوة المجال الكهربائي* - مؤشر للمجال الكهربائي يساوي نسبة القوة المطبقة على شحنة نقطة ثابتة موضوعة عند نقطة معينة في المجال إلى حجم هذه الشحنة.
وهكذا، في معجل تيراهيرتز، يمكن أن تكون تدرجات المجال التي تتعرض لها الإلكترونات أعلى بعدة مراتب من حيث الحجم مقارنة بالجهاز التقليدي. سيكون النطاق الزمني الذي يكون فيه انحناء المجال ملحوظًا أصغر بكثير. ويترتب على ذلك أن مدة شعاع الإلكترون المدخل سيكون لها تأثير أكثر وضوحا.
قرر العلماء اختبار هذه النظريات عمليا. للقيام بذلك، قاموا بإدخال حزم إلكترونية ذات فترات مختلفة، والتي تم التحكم فيها عن طريق الضغط باستخدام أول جهاز STEAM (STEAM-buncher).
الصورة رقم 3
في حالة عدم توصيل الضاغط بمصدر طاقة، تمر حزم الإلكترونات (55 كيلو فولت) بشحنة ∼ 1 fC (femtocoulomb) لمسافة 300 مم تقريبًا من مسدس الإلكترون إلى جهاز التسريع الخطي (STEAM-linac). يمكن لهذه الإلكترونات أن تتوسع تحت تأثير قوى الشحنة الفضائية لمدة تصل إلى أكثر من 1000 fs (الفيمتو ثانية).
في هذه المدة، احتل شعاع الإلكترون حوالي 60% من نصف الطول الموجي للمجال المتسارع بتردد 1,7 ps، مما أدى إلى طيف طاقة ما بعد التسارع بذروة عند 115 كيلو فولت ونصف عرض توزيع الطاقة. أكبر من 60 كيلو فولت (3а).
لمقارنة هذه النتائج مع تلك المتوقعة، تمت محاكاة حالة انتشار الإلكترون من خلال مسرع خطي عندما كانت الإلكترونات غير متزامنة مع (أي غير متزامنة مع) وقت الحقن الأمثل. أظهرت حسابات هذه الحالة أن الزيادة في طاقة الإلكترون تعتمد بشكل كبير على لحظة الحقن، وصولاً إلى مقياس زمني أقل من البيكو ثانية (3b). أي أنه مع الإعداد الأمثل، سيختبر الإلكترون نصف دورة كاملة من تسارع إشعاع تيراهيرتز في كل طبقة (3s).
إذا وصلت الإلكترونات في أوقات مختلفة، فإنها تواجه تسارعًا أقل في الطبقة الأولى، مما يجعلها تستغرق وقتًا أطول للانتقال عبرها. ثم يزداد إلغاء التزامن في الطبقات التالية، مما يسبب تباطؤًا غير مرغوب فيه (3d).
من أجل تقليل التأثير السلبي للتمدد الزمني لشعاع الإلكترون، تم تشغيل أول جهاز STEAM في وضع الضغط. تم تحسين مدة شعاع الإلكترون في اللينك إلى ما لا يقل عن ~ 350 fs (نصف العرض) عن طريق ضبط طاقة تيراهيرتز المتوفرة للضاغط وتحويل اللينك إلى وضع الفقس (4b).
الصورة رقم 4
تم ضبط الحد الأدنى لمدة الشعاع وفقًا لمدة نبضة الأشعة فوق البنفسجية للكاثود الضوئي، والتي كانت حوالي 600 fs. لعبت المسافة بين الضاغط والشريط أيضًا دورًا مهمًا، مما حد من سرعة قوة السماكة. تتيح هذه التدابير معًا دقة الفيمتو ثانية في مرحلة الحقن في مرحلة التسارع.
على الصورة 4а يمكن ملاحظة أن انتشار الطاقة لشعاع الإلكترون المضغوط بعد التسارع الأمثل في المسرع الخطي يتناقص بمقدار 4 مرات تقريبًا مقارنة مع غير المضغوط. بسبب التسارع، يتحول طيف الطاقة للشعاع المضغوط نحو طاقات أعلى، على عكس الشعاع غير المضغوط. تبلغ ذروة طيف الطاقة بعد التسارع حوالي 115 كيلو إلكترون فولت، ويصل الذيل عالي الطاقة إلى حوالي 125 كيلو إلكترون فولت.
هذه الأرقام، وفقا لبيان متواضع للعلماء، هي رقم قياسي جديد للتسارع (قبل التسارع كان 70 كيلو فولت) في نطاق تيراهيرتز.
ولكن من أجل تقليل تشتت الطاقة (4а)، يجب تحقيق شعاع أقصر.
الصورة رقم 5
في حالة وجود شعاع غير مضغوط، فإن الاعتماد المكافئ لحجم الحزمة على التيار يكشف عن الانبعاث العرضي في الاتجاهين الأفقي والرأسي: εx,n = 1.703 mm*mrad و εy,n = 1.491 mm*mrad (5а).
أدى الضغط بدوره إلى تحسين الانبعاث العرضي بمقدار 6 مرات إلى εx,n = 0,285 mm*mrad (أفقي) و εy,n = 0,246 mm*mrad (عمودي).
تجدر الإشارة إلى أن درجة تقليل الانبعاث تبلغ تقريبًا ضعف درجة تقليل مدة الشعاع، وهو مقياس اللاخطية لديناميات التفاعل مع الوقت عندما تواجه الإلكترونات تركيزًا قويًا وإلغاء تركيز المجال المغناطيسي أثناء التسارع (5b и 5s).
على الصورة 5b يمكن ملاحظة أن الإلكترونات التي تم إدخالها في الوقت الأمثل تمر بنصف دورة تسارع المجال الكهربائي بالكامل. لكن الإلكترونات التي تصل قبل أو بعد الوقت الأمثل تواجه تسارعًا أقل وحتى تباطؤًا جزئيًا. وينتهي الأمر بهذه الإلكترونات بطاقة أقل، بشكل تقريبي.
ويلاحظ وضع مماثل عند تعرضه لمجال مغناطيسي. تتعرض الإلكترونات التي يتم حقنها في الوقت الأمثل لكميات متناظرة من المجالات المغناطيسية الإيجابية والسلبية. إذا حدث إدخال الإلكترونات قبل الوقت الأمثل، فسيكون هناك المزيد من المجالات الإيجابية وعدد أقل من المجالات السلبية. إذا تم إدخال الإلكترونات في وقت متأخر عن الوقت الأمثل، فسيكون هناك عدد أقل من الإلكترونات الموجبة وأكثر سلبية (5s). وتؤدي مثل هذه الانحرافات إلى حقيقة أن الإلكترون يمكن أن ينحرف إلى اليسار أو اليمين أو لأعلى أو لأسفل اعتمادًا على موضعه بالنسبة للمحور، مما يؤدي إلى زيادة في الزخم العرضي المقابل لتركيز الحزمة أو إلغاء تركيزها.
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر и له.
خاتمة
باختصار، سيزداد أداء المسرع إذا تم تقليل مدة شعاع الإلكترون. في هذا العمل، كانت مدة الشعاع القابلة للتحقيق محدودة بهندسة التثبيت. ولكن، من الناحية النظرية، يمكن أن تصل مدة الشعاع إلى أقل من 100 fs.
ويشير العلماء أيضًا إلى أنه يمكن تحسين جودة الشعاع بشكل أكبر عن طريق تقليل ارتفاع الطبقات وزيادة عددها. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لا تخلو من المشاكل، ولا سيما زيادة تعقيد تصنيع الجهاز.
هذا العمل هو المرحلة الأولى من دراسة أكثر شمولاً وتفصيلاً لنسخة مصغرة من المسرع الخطي. على الرغم من أن النسخة المختبرة تظهر بالفعل نتائج ممتازة، والتي يمكن أن تسمى بحق تحطيم الأرقام القياسية، إلا أنه لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به.
شكرا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بأسبوع رائع للجميع! 🙂
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم المبتدئة ، والتي اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com