Elm və texnologiya da daxil olmaqla cəmiyyətin bir çox sahələrində tanış olan “daha çox güclüdür” prinsipi çoxdan formalaşıb. Bununla belə, müasir reallıqlarda “kiçik, lakin qüdrətli” deyiminin praktiki tətbiqi getdikcə daha çox yayılır. Bu, həm əvvəllər bütün otağı tutan, lakin indi uşağın ovucuna sığan kompüterlərdə, həm də yüklü hissəcik sürətləndiricilərində özünü göstərir. Bəli, təsirli ölçüləri (uzunluğu 26 m) adında sözün əsl mənasında göstərilən Böyük Adron Kollayderini (LHC) xatırlayırsınız? Beləliklə, sürətləndiricinin tam ölçülü sələfindən heç də aşağı olmayan miniatür versiyasını hazırlayan DESY alimlərinin fikrincə, bu artıq keçmişdə qalıb. Üstəlik, mini sürətləndirici hətta yerləşdirilmiş elektronların enerjisini iki dəfə artıraraq terahertz sürətləndiriciləri arasında yeni dünya rekordu da qoydu. Miniatür sürətləndirici necə hazırlanmışdır, onun işinin əsas prinsipləri hansılardır və praktiki təcrübələr nəyi göstərmişdir? Tədqiqat qrupunun hesabatı bu barədə məlumat əldə etməyə kömək edəcək. Get.
Tədqiqat bazası
Mini-sürətləndiricini hazırlayan Dongfang Zhang və onun DESY-dəki (Alman Elektron Sinxrotron) həmkarlarının fikrincə, ultrasürətli elektron mənbələri müasir cəmiyyətin həyatında inanılmaz dərəcədə mühüm rol oynayır. Onların bir çoxu tibb, elektronikanın inkişafı və elmi tədqiqatlarda görünür. Radiotezlik osilatorlarından istifadə edən cari xətti sürətləndiricilərlə bağlı ən böyük problem onların yüksək qiyməti, mürəkkəb infrastrukturu və təsirli enerji istehlakıdır. Və bu cür çatışmazlıqlar bu cür texnologiyaların daha geniş istifadəçilər üçün əlçatanlığını çox məhdudlaşdırır.
Bu aşkar problemlər ölçüsü və enerji istehlakı dəhşətə səbəb olmayacaq cihazların inkişafı üçün böyük bir stimuldur.
Bu sənayedəki nisbi yeniliklər arasında bir sıra "faydaları" olan terahertz sürətləndiriciləri var:
- Qısa dalğaların və qısa terahertz radiasiya impulslarının həddi əhəmiyyətli dərəcədə artıracağı gözlənilir. parçalanma*, sürətlənmə gradientlərini artıracaq sahənin səbəb olduğu;
Elektrik nasazlığı* - kritikdən yuxarı bir gərginlik tətbiq edildikdə cərəyan gücünün kəskin artması.
- yüksək sahəli terahertz şüalanma yaratmaq üçün effektiv metodların mövcudluğu elektronlar və həyəcan sahələri arasında daxili sinxronizasiyaya imkan verir;
- Bu cür cihazları yaratmaq üçün klassik üsullardan istifadə edilə bilər, lakin onların dəyəri, istehsal vaxtı və ölçüsü çox azalacaq.
Alimlər hesab edirlər ki, onların millimetr miqyaslı terahertz sürətləndiricisi hazırda mövcud olan adi sürətləndiricilər və hazırlanmaqda olan, lakin çox kiçik ölçülərinə görə bir çox mənfi cəhətləri olan mikro sürətləndiricilər arasında kompromisdir.
Tədqiqatçılar terahertz sürətləndirici texnologiyanın bir müddətdir inkişafda olduğunu inkar etmirlər. Lakin onların fikrincə, bu sahədə hələ də öyrənilməmiş, sınaqdan keçirilməmiş, həyata keçirilməyən çoxlu məqamlar var.
Bu gün nəzərdən keçirdiyimiz işlərində alimlər STEAM-in imkanlarını nümayiş etdirirlər (seqmentli terahertz elektron sürətləndirici və manipulyator) - seqmentli terahertz elektron sürətləndirici və manipulyator. STEAM elektron şüasının uzunluğunu sub-pikosaniyə müddətinə azaltmağa imkan verir və bununla da sürətlənmə mərhələsinə femtosaniyəlik nəzarəti təmin edir.
200 MV/m (MV - meqavolt) sürətlənmə sahəsinə nail olmaq mümkün oldu ki, bu da 70 keV enerji ilə daxil edilmiş elektron şüasından > 55 keV (kiloelektronvolt) rekord terahertz sürətlənməsinə gətirib çıxarır. Bu yolla 125 keV-ə qədər sürətlənmiş elektronlar alındı.
Cihazın quruluşu və həyata keçirilməsi
Şəkil №1: tədqiq olunan cihazın diaqramı.
Şəkil No 1-2: a - işlənmiş 5 qatlı seqmentli strukturun diaqramı, b - hesablanmış sürətlənmənin nisbəti və elektron yayılma istiqaməti.
Elektron şüaları (55 keV) yaranır elektron silah* və terahertz STEAM-buncherə (şüa kompressoru) daxil edilir, bundan sonra onlar STEAM-linacına keçirlər (xətti sürətləndirici*).
Elektron silah* — tələb olunan konfiqurasiyaya və enerjiyə malik elektron şüası yaratmaq üçün cihaz.
Xətti sürətləndirici* - yüklü hissəciklərin strukturdan yalnız bir dəfə keçdiyi sürətləndirici, xətti sürətləndiricini siklikdən (məsələn, LHC) fərqləndirir.
Hər iki STEAM cihazı tək yaxın infraqırmızı (NIR) lazerdən terahertz impulslar alır ki, bu da elektron silahın fotokatodunu işə salır və nəticədə elektronlar və sürətlənən sahələr arasında daxili sinxronizasiya baş verir. Fotokatodda fotoemissiya üçün ultrabənövşəyi impulslar iki ardıcıl mərhələdən keçir GVG* yaxın infraqırmızı işığın əsas dalğa uzunluğu. Bu proses 1020 nm lazer impulsunu əvvəlcə 510 nm, sonra isə 255 nm-ə çevirir.
GVG* (optik ikinci harmonik nəsil) qeyri-xətti materialla qarşılıqlı əlaqə zamanı eyni tezlikli fotonların birləşdirilməsi prosesidir ki, bu da ikiqat enerji və tezlik, həmçinin dalğa uzunluğunun yarısı olan yeni fotonların əmələ gəlməsinə səbəb olur.
NIR lazer şüasının qalan hissəsi impulsdaxili tezlik fərqləri yaradaraq dörd tək dövrəli terahertz impuls yaratmaq üçün istifadə olunan 4 şüaya bölünür.
Daha sonra iki terahertz impuls hər bir STEAM cihazına simmetrik buynuz strukturları vasitəsilə ötürülür ki, bu da terahertz enerjisini elektronların yayılması istiqamətində qarşılıqlı təsir bölgəsinə yönəldir.
Elektronlar hər bir STEAM cihazına daxil olduqda, onlar elektrik və maqnit komponentlərinə məruz qalırlar Lorentz qüvvələri*.
Lorentz qüvvəsi* - elektromaqnit sahəsinin yüklü hissəciyə təsir etdiyi qüvvə.
Bu halda elektrik sahəsi sürətlənmə və yavaşlamadan məsuldur, maqnit sahəsi isə yanal əyilmələrə səbəb olur.
Şəkil №2
Şəkillərdə gördüyümüz kimi 2a и 2b, Hər bir STEAM cihazının içərisində terahertz şüaları nazik metal təbəqələr vasitəsilə eninə şəkildə müxtəlif qalınlıqda bir neçə təbəqəyə bölünür, onların hər biri dalğa ötürücü rolunu oynayır və ümumi enerjinin bir hissəsini qarşılıqlı təsir bölgəsinə ötürür. Terahertsin gəliş vaxtını əlaqələndirmək üçün hər bir təbəqədə dielektrik plitələr də var dalğa cəbhəsi* elektronların önü ilə.
Dalğa cəbhəsi* - dalğanın çatdığı səth.
Hər iki STEAM cihazı elektrik rejimində işləyir, yəni qarşılıqlı təsir sahəsinin mərkəzində bir elektrik sahəsi tətbiq edəcək və maqnit sahəsini sıxışdıracaq.
Birinci cihazda elektronların keçmə vaxtı təyin edilir sıfır keçid* terahertz sahəsi, burada elektrik sahəsinin zaman qradiyenti maksimumlaşdırılır və orta sahə minimuma endirilir.
Sıfır keçid* - gərginliyin olmadığı bir nöqtə.
Bu konfiqurasiya elektron şüasının quyruğunun sürətlənməsinə və başının yavaşlamasına səbəb olur, nəticədə ballistik uzununa fokuslanır (2a и 2s).
İkinci cihazda elektron və terahertz şüalanmanın sinxronizasiyası elə qurulmuşdur ki, elektron şüası terahertz elektrik sahəsinin yalnız mənfi dövrünü yaşasın. Bu konfiqurasiya xalis davamlı sürətlənmə ilə nəticələnir (2b и 2d).
NIR lazer, 1.2 nm dalğa uzunluğunda və 50 Hz təkrar tezliyində 1020 ps uzunluğunda və 10 mJ enerjidə optik impulslar istehsal edən kriogen soyudulmuş Yb:YLF sistemidir. Və mərkəzi tezliyi 0.29 terahertz olan terahertz impulslar (periyot 3.44 ps) meylli nəbz ön üsulu ilə yaradılır.
STEAM-buncheri (şüa kompressoru) gücləndirmək üçün yalnız 2 x 50 nJ terahertz enerjisi istifadə edilmişdir və STEAM-linac (xətti sürətləndirici) üçün 2 x 15 mJ tələb olunur.
Hər iki STEAM cihazının giriş və çıxış deliklərinin diametri 120 mikrondur.
Şüa kompressoru bərabər hündürlükdə (0 mm) üç təbəqə ilə hazırlanmışdır, bu təbəqələr vaxtı idarə etmək üçün uzunluğu 225 və 4.41 mm olan əridilmiş silisium plitələri (ϵr = 0.42) ilə təchiz edilmişdir. Kompressor təbəqələrinin bərabər hündürlüyü sürətlənmənin olmadığını göstərir (2s).
Lakin xətti sürətləndiricidə hündürlüklər artıq fərqlidir - 0.225, 0.225 və 0.250 mm (+ əridilmiş kvars plitələri 0.42 və 0.84 mm). Qatının hündürlüyünün artması sürətlənmə zamanı elektronların sürətinin artması ilə izah olunur.
Alimlər qeyd edirlər ki, təbəqələrin sayı iki cihazın hər birinin funksionallığına birbaşa cavabdehdir. Məsələn, daha yüksək sürətlənmə sürətinə nail olmaq, qarşılıqlı əlaqəni optimallaşdırmaq üçün daha çox təbəqə və müxtəlif hündürlük konfiqurasiyaları tələb edəcəkdir.
Praktik təcrübələrin nəticələri
Birincisi, tədqiqatçılar xatırladırlar ki, ənənəvi radiotezlik sürətləndiricilərində quraşdırılmış elektron şüasının müvəqqəti ölçüsünün sürətlənmiş şüanın xüsusiyyətlərinə təsiri, gələn şüa daxilində müxtəlif elektronların qarşılıqlı təsiri zamanı baş verən elektrik sahəsindəki dəyişikliklə bağlıdır. müxtəlif vaxtlarda. Beləliklə, daha yüksək gradientli sahələrin və daha uzun müddətə malik şüaların daha böyük enerji yayılmasına səbəb olacağını gözləmək olar. Uzun müddətli enjeksiyon şüaları da daha yüksək dəyərlərə səbəb ola bilər emissiyalar*.
Emissiya* — yüklü hissəciklərin sürətlənmiş şüasının tutduğu faza sahəsi.
Terahertz sürətləndiricisi vəziyyətində həyəcan sahəsinin müddəti təxminən 200 dəfə qısadır. Beləliklə, gərginlik* dəstəklənən sahə 10 dəfə yüksək olacaq.
Elektrik sahəsinin gücü* - sahənin müəyyən bir nöqtəsində yerləşdirilmiş stasionar nöqtə yükünə tətbiq edilən qüvvənin bu yükün böyüklüyünə nisbətinə bərabər olan elektrik sahəsinin göstəricisi.
Beləliklə, bir terahertz sürətləndiricisində elektronların yaşadığı sahə qradiyenti adi cihazdan bir neçə dəfə yüksək ola bilər. Sahənin əyriliyinin nəzərə çarpan vaxt şkalası əhəmiyyətli dərəcədə kiçik olacaq. Buradan belə çıxır ki, daxil edilən elektron şüasının müddəti daha aydın təsir göstərəcəkdir.
Alimlər bu nəzəriyyələri praktikada sınaqdan keçirmək qərarına gəliblər. Bunun üçün onlar ilk STEAM cihazından (STEAM-buncher) istifadə edərək sıxılma ilə idarə olunan müxtəlif uzunluqlu elektron şüalarını təqdim etdilər.
Şəkil №3
Kompressorun enerji mənbəyinə qoşulmadığı halda, yükü ~55 fC (femtocoulomb) olan elektron şüaları (1 keV) elektron silahından xətti sürətləndirici qurğuya (STEAM-linac) təxminən 300 mm keçdi. Bu elektronlar kosmik yük qüvvələrinin təsiri altında 1000 fs-dən (femtosaniyə) çox müddətə genişlənə bilər.
Bu müddətdə elektron şüası 60 ps tezliyi ilə sürətləndirici sahənin yarım dalğa uzunluğunun təxminən 1,7%-ni tutdu və nəticədə 115 keV-də pik nöqtəsi və enerji paylanmasının yarım eni olan sürətlənmədən sonrakı enerji spektri yarandı. 60 keV-dən çox (3a).
Bu nəticələri gözlənilənlərlə müqayisə etmək üçün elektronlar optimal inyeksiya vaxtı ilə sinxronlaşmadıqda (yəni sinxronlaşdırılmadıqda) xətti sürətləndirici vasitəsilə elektronların yayılması vəziyyəti simulyasiya edilmişdir. Bu vəziyyətin hesablamaları göstərdi ki, elektron enerjisinin artması inyeksiya anından çox asılıdır, subpikosaniyəlik zaman şkalasına qədər (3b). Yəni, optimal tənzimləmə ilə elektron hər təbəqədə terahertz radiasiya sürətlənməsinin tam yarım dövrünü yaşayacaq (3s).
Elektronlar müxtəlif vaxtlarda gəlsələr, birinci təbəqədə daha az sürətlənmə hiss edirlər ki, bu da onların oradan keçməsini daha uzun aparır. Daha sonra desinxronizasiya aşağıdakı təbəqələrdə artır və arzuolunmaz yavaşlamaya səbəb olur (3d).
Elektron şüasının müvəqqəti uzadılmasının mənfi təsirini minimuma endirmək üçün ilk STEAM cihazı sıxılma rejimində işləyir. Kompressora verilən terahertz enerjisini tənzimləmək və linakı lyuk rejiminə keçirməklə linacdakı elektron şüasının müddəti minimum ~350 fs (yarım eni) qədər optimallaşdırılmışdır.4b).
Şəkil №4
Minimum şüa müddəti ~600 fs olan fotokatod UV impulsunun müddətinə uyğun olaraq təyin edilmişdir. Kompressor və zolaq arasındakı məsafə də qalınlaşdırıcı qüvvənin sürətini məhdudlaşdıran mühüm rol oynadı. Bu tədbirlər birlikdə sürətlənmə mərhələsinin inyeksiya mərhələsində femtosaniyə dəqiqliyinə imkan verir.
Şəkil üzərində 4a xətti sürətləndiricidə optimallaşdırılmış sürətlənmədən sonra sıxılmış elektron şüasının enerji yayılmasının sıxılmamış ilə müqayisədə ~ 4 dəfə azaldığını görmək olar. Sürətlənməyə görə sıxılmış şüanın enerji spektri sıxılmamış şüadan fərqli olaraq daha yüksək enerjilərə doğru sürüşür. Sürətlənmədən sonra enerji spektrinin zirvəsi təxminən 115 keV, yüksək enerjili quyruq isə təxminən 125 keV-ə çatır.
Bu rəqəmlər, alimlərin təvazökar bəyanatına görə, terahertz diapazonunda yeni sürətlənmə rekordudur (sürətlənmədən əvvəl 70 keV idi).
Lakin enerji dispersiyasını azaltmaq üçün (4a), daha da qısa şüa əldə edilməlidir.
Şəkil №5
Sıxılmamış daxil edilmiş şüa vəziyyətində şüa ölçüsünün cərəyandan parabolik asılılığı üfüqi və şaquli istiqamətlərdə eninə emissiyanı aşkar edir: εx,n = 1.703 mm*mrad və εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Sıxılma, öz növbəsində, eninə emissiyanı 6 dəfə εx,n = 0,285 mm*mrad (üfüqi) və εy,n = 0,246 mm*mrad (şaquli) qədər yaxşılaşdırdı.
Qeyd etmək lazımdır ki, emissiyanın azaldılması dərəcəsi, sürətlənmə zamanı elektronların maqnit sahəsinin güclü fokuslanması və defokuslanması zamanı zamanla qarşılıqlı təsir dinamikasının qeyri-xəttiliyinin ölçüsü olan şüa müddətinin azaldılması dərəcəsindən təxminən iki dəfə böyükdür (5b и 5s).
Şəkil üzərində 5b Görünür ki, optimal zamanda daxil edilmiş elektronlar elektrik sahəsinin sürətlənməsinin bütün yarım dövrəsini yaşayır. Lakin optimal vaxtdan əvvəl və ya sonra gələn elektronlar daha az sürətlənmə və hətta qismən yavaşlama yaşayır. Belə elektronlar, təxminən, daha az enerji ilə başa çatır.
Bənzər bir vəziyyət maqnit sahəsinə məruz qaldıqda müşahidə olunur. Optimal zamanda yeridilmiş elektronlar simmetrik miqdarda müsbət və mənfi maqnit sahələri yaşayır. Elektronların daxil olması optimal vaxtdan əvvəl baş vermişsə, daha çox müsbət sahələr və daha az mənfi sahələr var idi. Elektronlar optimal vaxtdan gec daxil olarsa, daha az müsbət və daha çox mənfi olacaq (5s). Və bu cür sapmalar, elektronun oxa nisbətən mövqeyindən asılı olaraq sola, sağa, yuxarı və ya aşağı əyilə biləcəyinə səbəb olur ki, bu da şüanın fokuslanmasına və ya defokuslanmasına uyğun gələn eninə impulsun artmasına səbəb olur.
Tədqiqatın nüansları ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün baxmağı məsləhət görürəm и ona.
Epiloq
Xülasə, elektron şüasının müddəti azalarsa, sürətləndiricinin performansı artacaq. Bu işdə, əldə edilə bilən şüa müddəti quraşdırmanın həndəsəsi ilə məhdudlaşdı. Ancaq nəzəri olaraq, şüa müddəti 100 fs-dən az ola bilər.
Alimlər onu da qeyd edirlər ki, layların hündürlüyünü azaltmaqla və onların sayını artırmaqla şüanın keyfiyyətini daha da artırmaq olar. Bununla belə, bu üsul problemsiz deyil, xüsusən də cihazın istehsalının mürəkkəbliyini artırır.
Bu iş xətti sürətləndiricinin miniatür versiyasının daha geniş və ətraflı öyrənilməsinin ilkin mərhələsidir. Sınaqdan keçmiş versiyanın artıq əla nəticələr göstərməsinə baxmayaraq, bunu haqlı olaraq rekord qıran adlandırmaq olar, hələ görüləsi çox iş var.
Diqqətiniz üçün təşəkkür edirik, maraqlanın və hər kəsə xoş həftə keçirin! 🙂
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Məqalələrimizi bəyənirsinizmi? Daha maraqlı məzmun görmək istəyirsiniz? Sifariş verməklə və ya dostlarınıza tövsiyə etməklə bizə dəstək olun, Bizim tərəfimizdən sizin üçün ixtira edilmiş giriş səviyyəli serverlərin unikal analoquna Habr istifadəçiləri üçün 30% endirim: (RAID1 və RAID10, 24 nüvəyə qədər və 40 GB DDR4 ilə mövcuddur).
Dell R730xd 2 dəfə ucuzdur? Yalnız burada Hollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! haqqında oxuyun
Mənbə: www.habr.com