Звыклы нам прынцып "больш значыць больш магутны" ужо даўно выстаяўся ў шматлікіх галінах жыцця грамадства, у тым ліку ў навуцы і тэхналогіях. Аднак у сучасных рэаліях усё часцей і часцей сустракаецца практычная рэалізацыя прымаўкі "малы, ды заліхвацкі". Гэта выяўляецца як у кампутарах, якія раней займалі цэлы пакой, а зараз змяшчаюцца ў далоньцы дзіцяці, так і ў паскаральніках зараджаных часціц. Так-так, падушыце вялікі адронны калайдэр (БАК), вялікія габарыты якога (26 659 м у даўжыню) літаральна паказаныя ў яго назове? Дык вось, гэта ўжо ў мінулым па меркаванні навукоўцаў з DESY, якія распрацавалі мініятурную версію паскаральніка, які па паказчыках не саступае свайму поўнапамернаму папярэдніку. Больш за тое, міні паскаральнік нават устанавіў новы сусветны рэкорд сярод тэрагерцавых паскаральнікаў, падвоіўшы энергію ўкаранёных электронаў. Як быў распрацаваны мініятурны паскаральнік, якія асноўныя прынцыпы яго дзеяння і што паказалі практычныя эксперыменты? Пра гэта нам дапаможа даведацца даклад даследчай групы. Паехалі.
Аснова даследавання
Па словах Дунфан Чжан (Dongfang Zhang) і яго калег з DESY (Нямецкі Электронны Сінхратрон), якія і распрацавалі міні-паскаральнік, звышхуткія крыніцы электронаў гуляюць неверагодна важную ролю ў жыцці сучаснага грамадства. Многія з іх праяўляюцца ў медыцыне, распрацоўцы электронікі і ў навуковых даследаваннях. Самай вялікай праблемай цяперашніх лінейных паскаральнікаў, якія выкарыстоўваюць радыёчастотныя генератары, з'яўляецца іх дарагоўля, складанасць інфраструктуры і вялікія апетыты адносна спажыванай магутнасці. А такія недахопы моцна абмяжоўваюць даступнасць падобных тэхналогій для шырэйшага круга карыстачоў.
Гэтыя відавочныя праблемы з'яўляюцца выдатным стымулам да распрацоўкі прылад, памеры якіх не будуць выклікаць жах, як і ступень спажыванай магутнасці.
Сярод адносных навінак у гэтай галіне можна вылучыць терагерцовые паскаральнікі, якія валодаюць побач «плюшак»:
- чакаецца, што кароткія хвалі і кароткія імпульсы тэрагерцавага выпраменьвання дазволяць значна павялічыць парог. прабоя *, выкліканага полем, што дасць магчымасць павялічыць градыенты паскарэння;
Электрычны пробай* - Рэзкае ўзрастанне сілы току пры дадатку напругі вышэй крытычнага.
- наяўнасць эфектыўных метадаў генерацыі высокопольного терагерцового выпраменьвання дазваляе ажыццяўляць унутраную сінхранізацыю паміж электронамі і палямі ўзрушанасці;
- для стварэння такіх прылад могуць прымяняцца класічныя метады, але іх кошт, час вытворчасці і памеры будуць моцна скарочаны.
Навукоўцы лічаць, што іх терагерцовы паскаральнік у міліметровых маштабах з'яўляецца кампрамісам паміж звычайнымі паскаральнікамі, што маюцца цяпер, і мікра-паскаральнікамі, якія распрацоўваюцца, але валодаюць мноствам недахопаў з прычыны сваіх ужо вельмі малых габарытаў.
Даследчыкі не адмаўляюць, што тэхналогія тэрагерцавага паскарэння ўжо нейкі час знаходзіцца ў распрацоўцы. Аднак, на іх думку, у гэтай сферы ёсць яшчэ шмат аспектаў, якія не былі вывучаны, правераны або рэалізаваны.
У сваёй працы, якую мы сёння і разглядаем, навукоўцы дэманструюць магчымасці STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) - Сегментаваць терагерцового электроннага паскаральніка і маніпулятара. STEAM дазваляе паменшыць даўжыню пучка электронаў да субпікасекунднай працягласці, забяспечваючы тым самым фемтасекундны кантроль над фазай паскарэння.
Атрымалася дасягнуць поля паскарэння ў 200 МВ / м (МВ - мегавольт), што прыводзіць да рэкорднага терагерцоваму паскарэнню ў> 70 кэВ (кілаэлектронвольт) ад укаранёнага пучка электронаў з энергіяй 55 кэВ. Такім чынам былі атрыманы паскораныя электроны да 125 кэВ.
Структура прылады і яе рэалізацыя
Выява №1: схема доследнай прылады.
Выява №1-2: а - схема распрацаванай 5-слойнай сегментаваць структуры, b - суадносіны разліковага паскарэння і напрамкі распаўсюджвання электронаў.
Пучкі электронаў (55 кэВ) генеруюцца з электроннай гарматы* і ўкараняюцца ў терагерцовы STEAM-buncher (кампрэсар пучка), пасля чаго пераходзяць у STEAM-linac (лінейны паскаральнік *).
Электронная гармата* - Прылада генерацыі пучка электронаў неабходнай канфігурацыі і энергіі.
Лінейны паскаральнік * - паскаральнік, у якім зараджаныя часціцы праходзяць структуру толькі 1 раз, што адрознівае лінейны паскаральнік ад цыклічнага (напрыклад, ВАК).
Абодва STEAM прылады атрымліваюць терагерцовые імпульсы ад аднаго лазера блізкага інфрачырвонага святла (NIR), які таксама запускае фотокатод электроннай гарматы, што прыводзіць да ўнутранай сінхранізацыі паміж электронамі і якія паскараюць палямі. Ультрафіялетавыя імпульсы для фотаэмісіі на фотакатодзе генеруюцца праз дзве паслядоўныя стадыі. ГВГ* асноўнай даўжыні хвалі блізкага інфрачырвонага святла. Гэты працэс пераўтварае лазерны імпульс з даўжынёй хвалі 1020 нм спачатку ў 510 нм, а затым у 255 нм.
ГВГ* (генерацыя другой аптычнай гармонікі) - працэс аб'яднання фатонаў з аднолькавай частатой падчас узаемадзеяння з нелінейным матэрыялам, што прыводзіць да фарміравання новых фатонаў з падвоенай энергіяй і частатой, а таксама ў два разы меншай даўжынёй хвалі.
Пакінутая частка прамяня NIR-лазера падзяляецца на 4 прамяня, якія выкарыстоўваюцца для генерацыі чатырох аднацыклавых терагерцовых імпульсаў пасродкам генерацыі рознасці ўнутрыімпульсных частот.
Два терагерцовых імпульсу затым паступаюць у кожнае STEAM прылада праз сіметрычныя рагавыя структуры, якія накіроўваюць терагерцовую энергію ў вобласць узаемадзеяння папярок кірунку распаўсюджвання электронаў.
Калі электроны ўваходзяць у кожную з STEAM прылада, яны падвяргаюцца ўздзеянню электрычнай і магнітнай складнікаў сілы Лорэнца*.
Сіла Лорэнца* - сіла, з якой электрамагнітнае поле ўздзейнічае на зараджаную часціцу.
У дадзеным выпадку, электрычнае поле адказвае за паскарэнне і запаволенне, а магнітнае поле выклікае папярочныя адхіленні.
Выява №2
Як мы бачым на выявах 2а и 2b, усярэдзіне кожнага STEAM прылады терагерцовые пучкі падзеленыя папярок тонкімі металічнымі лістамі ў некалькі пластоў рознай таўшчыні, кожны з якіх дзейнічае як хвалявод, які пераносіць частку поўнай энергіі ў вобласць узаемадзеяння. Таксама ў кожным пласце прысутнічаюць дыэлектрычныя пласціны, каб узгадніць час прыходу тэрагерцавага. хвалевага фронту* з фронтам электронаў.
Хвалевы фронт* - паверхня, да якой дайшла хваля.
Абодва STEAM прылады працуюць у электрычным рэжыме, гэта значыць так, каб вырабляць накладанне электрычнага поля і прыгнечанне магнітнага поля ў цэнтры вобласці ўзаемадзеяння.
У першай прыладзе электроны разлічаны па часе так, каб праходзіць праз скрыжаванне нуля* тэрагерцавага поля, дзе часовыя градыенты электрычнага поля максімізаваны, а сярэдняе поле мінімізавана.
Скрыжаванне за нуль* - кропка, дзе няма ніякага напружання.
Такая канфігурацыя выклікае паскарэнне хваста электроннага пучка і запаволенне яго галавы, што прыводзіць да балістычнай падоўжнай факусоўкі (2а и 2с).
У другой прыладзе сінхранізацыя электрона і терагерцового выпраменьванні ўсталёўваецца так, што электронны пучок выпрабоўвае толькі адмоўны цыкл терагерцового электрычнага поля. Такая канфігурацыя прыводзіць да чыстага бесперапыннага паскарэння (2b и 2d).
Лазер з NIR выпраменьваннем нагадвае крыягенна астуджаную Yb: YLF сістэму, якая выдае аптычныя імпульсы з працягласцю 1.2 пс і энергіяй 50 мдж пры даўжыні хвалі 1020 нм і частаце паўтарэння 10 Гц. А терагерцовые імпульсы з цэнтральнай частатой 0.29 терагерц (перыяд у 3.44 пс) генеруюцца метадам нахільнага фронту імпульсу.
Для сілкавання STEAM-buncher (кампрэсар пучка) было скарыстана ўсяго толькі 2 х 50 нДж терагерцовой энергіі, а для STEAM-linac (лінейны паскаральнік) запатрабавалася 2 х 15 мдж.
Дыяметр уваходнага і выходнага адтулін як абодвух STEAM прылад складае 120 мкм.
Кампрэсар пучка спраектаваны з трыма пластамі аднолькавай вышыні (0 мм), якія абсталяваны пласцінамі з плаўленага кварца (ϵr =225) даўжынёй 4.41 і 0.42 мм для кантролю часовай сінхранізацыі. Роўныя вышыні пластоў кампрэсара адлюстроўваюць факт таго, што паскарэнне не адбываецца.2с).
А вось у лінейным паскаральніку вышыні ўжо адрозніваюцца - 0.225, 0.225 і 0.250 мм (+ пласціны з плаўленага кварца 0.42 і 0.84 мм). Павелічэнне вышыні пласта тлумачыць павелічэнне хуткасці электронаў пры паскарэнні.
Навукоўцы адзначаюць, што колькасць пластоў напрамую адказвае за функцыянал кожнага з двух прылад. Для дасягнення больш высокай ступені паскарэння, да прыкладу, запатрабуецца больш пластоў і іншая канфігурацыя вышынь для аптымізацыі ўзаемадзеяння.
Вынікі практычных доследаў
Першым чынам даследнікі нагадваюць, што ў традыцыйных паскаральніках на базе радыёчастот уплыў часавай працягласці ўкаранёнага электроннага пучка на ўласцівасці паскоранага пучка злучана са зменай электрычнага поля, выпрабоўванага падчас узаемадзеяння рознымі электронамі ўсярэдзіне пучка, якія паступаюць у розны час. Такім чынам, можна меркаваць, што палі з вялікім градыентам і пучкі з большай працягласцю прывядуць да большага роскіду энергій. Уведзеныя пучкі вялікай працягласці таксама могуць прыводзіць да больш высокіх значэнняў эміттансаў*.
Эмітанс* - Фазавае прастору, якое займае паскораны пучок зараджаных часціц.
У выпадку ж терагерцового паскаральніка перыяд поля ўзрушанасці прыкладна ў 200 раз карацей. Такім чынам, напружанасць* падтрымліваемага поля будзе ў 10 разоў вышэй.
Напружанасць электрычнага поля* — паказчык электрычнага поля, роўны стаўленню сілы, прыкладзенай на нерухомы пунктавы зарад, змешчаны ў дадзеную кропку поля, да велічыні гэтага зараду.
Такім чынам, у терагерцовым паскаральніку градыенты поля, якія выпрабоўваюцца электронамі, могуць быць на некалькі парадкаў вышэй, чым у звычайнай прыладзе. Часавы маштаб, на якім крывізна поля прыкметная, пры гэтым будзе значна менш. З гэтага варта, што працягласць уводзімага пучка электронаў будзе мець больш выяўлены ўплыў.
Навукоўцы на практыку вырашылі праверыць дадзеныя тэорыі. Для гэтага яны ўводзілі пучкі электронаў рознай працягласці, якая кантралявалася сціскам за рахунак першай STEAM прылады (STEAM-buncher).
Выява №3
У выпадку, калі кампрэсар не быў падлучаны да крыніцы сілкавання, пучкі электронаў (55 кэВ) з зарадам ~1 фКл (фемтокулон) праходзілі прыкладна 300 мм ад электроннай гарматы да прылады лінейнага паскаральніка (STEAM-linac). Гэтыя электроны маглі пашырацца пад дзеяннем сіл прасторавага зараду аж да працягласці больш за 1000 фс (фемтасекунд).
Пры такой працягласці электронны пучок займаў каля 60% паўхвалі паскараючага поля з частатой 1,7 пс, што прыводзіла да энергетычнага спектру пасля паскарэння з пікам на 115 кэВ і паўшырынёй размеркавання энергіі больш за 60 кэВ (3а).
Для параўнання гэтых вынікаў з чаканымі была змадэлявана сітуацыя распаўсюджвання электронаў праз лінейны паскаральнік, калі электроны былі рассінхранізаваныя (г.зн. не супадаюць з) адносна аптымальнага часу ўвядзення. Разлікі такой сітуацыі паказалі, што прырост энергіі электронаў вельмі залежыць ад моманту ўвядзення аж да субпікасекунднага часовага маштабу.3b). Гэта значыць пры аптымальнай наладзе электрон будзе адчуваць поўны паўперыяд паскарэння терагерцового выпраменьвання ў кожным пласце (3с).
Калі ж электроны прыбываюць у розны час, то адчуваюць меншае паскарэнне ў першым пласце, ад чаго ім патрабуецца больш часу на яго праходжанне. Затым рассінхранізацыя ўзмацняецца ў наступных пластах, ад чаго ўзнікае непажаданае запаволенне (3d).
Каб максімальна зменшыць адмоўны эфект часавай працягласці пучка электронаў, першая STEAM прылада працавала ў рэжыме сціску. Працягласць пучка электронаў на лінейным паскаральніку была аптымізавана да мінімуму ~ 350 фс (паўшырыня) шляхам налады тэрагерцавай энергіі, якая падаецца на кампрэсар, і пераключэння лінейнага паскаральніка ў рэжым штрыхоўкі (4b).
Выява №4
Мінімальная працягласць пучка была ўстаноўлена ў адпаведнасці з працягласцю УФ-імпульсу фотакатода, працягласць якой складала ~ 600 фс. Таксама важную ролю адыграла адлегласць паміж кампрэсарам і паласой, што абмяжоўвала сілу згушчэння па хуткасці. У сукупнасці гэтыя меры дазваляюць забяспечыць фемтасекундную дакладнасць фазы ўвядзення на стадыі паскарэння.
На малюнку 4а відаць, што роскід энергіі сціснутага электроннага пучка пасля аптымізаванага паскарэння ў лінейным паскаральніку памяншаецца ў ~ 4 разы ў параўнанні з несціснутым. За кошт паскарэння энергетычны спектр сціснутага пучка ссоўваецца ў бок больш высокіх энергій, у адрозненне ад несціснутага пучка. Пік энергетычнага спектру пасля паскарэння складае каля 115 кэВ, а высокаэнергетычных хвост дасягае каля 125 кэВ.
Гэтыя паказчыкі, па сціплай заяве навукоўцаў, з'яўляюцца новым рэкордам паскарэння (да паскарэння было 70 кэВ) у тэрагерцавым дыяпазоне.
Але, каб паменшыць роскід энергіі (4а), неабходна дасягнуць яшчэ больш кароткага пучка.
Выява №5
У выпадку несціснутага ўведзенага пучка парабалічная залежнасць памеру пучка ад току выяўляе папярочны эмітанс у гарызантальным і вертыкальным кірунках: εx,n = 1.703 мм*мрад і εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).
Сціск жа, у сваю чаргу, палепшыла папярочны эмітанс у 6 разоў да εx,n = 0,285 мм*мрад (гарызантальны) і εy,n = 0,246 мм*мрад (вертыкальны).
Варта адзначыць, што ступень памяншэння эміттанса прыкладна ўдвая больш, чым ступень скарачэння працягласці пучка, што з'яўляецца мерай нелінейнасці дынамікі ўзаемадзеяння з часам, калі электроны адчуваюць моцную факусоўку і дэфакусоўку магнітнага поля падчас паскарэння (5b и 5с).
На малюнку 5b відаць, што электроны, уведзеныя ў аптымальны час, адчуваюць увесь паўперыяд паскарэння электрычнага поля. А вось электроны, якія прыбываюць да або пасля аптымальнага моманту часу, адчуваюць меншае паскарэнне і нават частковае запаволенне. Такія электроны ў выніку атрымліваюць менш энергіі, грубіянска кажучы.
Падобная сітуацыя назіраецца і пры ўздзеянні магнітнага поля. Электроны, уведзеныя ў аптымальны час, адчуваюць сіметрычную колькасць станоўчых і адмоўных магнітных палёў. Калі ж увядзенне электронаў адбывалася раней аптымальнага часу, то было больш дадатных палёў і менш адмоўных. У выпадку ўвядзення электронаў пазней аптымальнага часу - менш станоўчых і больш адмоўных (5с). А такія адхіленні прыводзяць да таго, што электрон можа адхіліцца налева, направа, уверх ці ўніз у залежнасці ад становішча адносна восі, што прыводзіць да павелічэння папярочнага імпульсу, які адпавядае факусоўцы ці дэфакусоўцы прамяня.
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у и да яго.
Эпілог
Сумуючы, прадукцыйнасць паскаральніка будзе падвышацца ў выпадку памяншэння працягласці пучка электронаў. У дадзеным працы дасягальная працягласць пучка была абмежавана геаметрыяй ўстаноўкі. Але, у тэорыі, працягласць пучка можа дасягаць і менш за 100 фс.
Таксама навукоўцы адзначаюць, што якасць пучка можна ў далейшым палепшыць шляхам памяншэння вышыні пластоў і павелічэнні іх ліку. Аднак гэты метад не пазбаўлены праблем, у прыватнасці павышэнне складанасці вытворчасці прылады.
Дадзеная праца з'яўляецца пачатковым этапам шырэйшага і дэталёвага вывучэння мініятурнай версіі лінейнага паскаральніка. Нягледзячы на тое, што правераная версія ўжо паказвае выдатныя вынікі, якія можна справядліва назваць рэкорднымі, працы яшчэ шмат.
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і добрай усім працоўнага тыдня, хлопцы! 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас аформіўшы замову або парэкамендаваўшы знаёмым, 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com