Известният ни принцип "по-голямо означава по-мощно" отдавна е утвърден в много области на живота, включително в науката и технологиите. Въпреки това, в съвременната реалност все по-често се среща практическата реализация на поговорката "малък, но мощен". Това се проявява както в компютри, които преди заемат цяло помещение, а сега се побират в ръката на дете, така и в ускорители на заредени частици. Да, помните Големия адронен колайдер (ГАИК), чийто впечатляващ размер (26 659 м дължина) буквално е посочен в името му? Така че, това вече е в миналото според учените от DESY, които са разработили миниатюрна версия на ускорителя, която по показатели не отстъпва на своя пълноразмерен предшественик. Повече от това, мини ускорителят дори е установил нов световен рекорд сред терагерцовите ускорители, удвоявайки енергията на вградените електрони. Как беше разработен миниатюрният ускорител, какви са основните принципи на неговото действие и какво показаха практическите експерименти? За това ще ни разкаже докладът на изследователската група. Да започнем.
Основи на изследването
Според Дунфан Чжан (Dongfang Zhang) и неговите колеги от DESY (Немски електронен синхротрон), които разработиха мини-ускорителя, свръхбързите източници на електрони играят изключително важна роля в живота на съвременното общество. Много от тях намират приложение в медицината, електрониката и научните изследвания. Най-голямата проблема на настоящите линейни ускорители, използващи радиочестотни генератори, е тяхната скъпота, сложността на инфраструктурата и значителните изисквания за консумация на мощност. Тези недостатъци значително ограничават достъпа до подобни технологии за по-широк кръг потребители.
Тези очевидни проблеми представляват отличен стимул за разработването на устройства с размери, които няма да предизвикват ужас, както и степента на потребление на мощност.
Сред относителните новинки в тази индустрия можем да откроим терагерцовите ускорители, които предлагат редица "плюсове":
- очаква се, че кратките вълни и кратките импулси на терагерцовото излъчване ще позволят значително да се увеличи прага пробив*, предизвикан от полето, което ще позволи увеличаване на градиентите на ускорение;
електрически пробив* — рязко увеличение на тока при прилагане на напрежение над критично.
- наличието на ефективни методи за генериране на високо-честотно терагерцово излъчване позволява извършването на вътрешна синхронизация между електроните и полетата на възбуждане;
- за създаването на такива устройства могат да се използват класически методи, но цената, времето за производство и размерите им значително ще бъдат намалени.
Учените смятат, че техният терагерцов ускорител в милиметрови мащаби е компромис между обикновените ускорители, които съществуват в момента, и микро-ускорителите, които се разработват, но притежават много недостатъци поради своята крайно малка конструкция.
Изследователите не отричат, че технологията за терагерцово ускорение вече е в разработка от известно време. Все пак, според тях, в тази сфера все още има много аспекти, които не са били проучени, проверени или реализирани.
В своя труд, който разглеждаме днес, учените демонстрират възможностите на STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — сегментиран терагерцов електронен ускорител и манипулатор. STEAM позволява намаляване на дължината на електронния лъч до субпикосекундна продължителност, като по този начин осигурява фемтосекунден контрол над фазата на ускорение.
Успяха да достигнат ускорително поле от 200 МВ/м (МВ — мегаволт), което води до рекордно терагерцово ускорение от > 70 кеВ (килоелектронволт) от внедрения електронен лъч с енергия 55 кеВ. По този начин бяха получени ускорени електрони до 125 кеВ.
Структура на устройството и неговата реализация
Изображение №1: схема на изследваното устройство.
Изображение №1-2: а — схема на разработена 5-слойна сегментирана структура, b — съотношение между изчисленото ускорение и посоката на разпространение на електроните.
Лъчи от електрони (55 кеВ) се генерират от електронна оръдие* и се внедряват в терагерцов STEAM-buncher (компресор на лъча), след което преминават в STEAM-linac (линейен ускорител*).
Електронна оръдие* — устройство за генериране на лъч от електрони с необходимата конфигурация и енергия.
Линейен ускорител* — ускорител, в който заредените частици преминават през структурата само 1 път, което отличава линейния ускорител от цикличния (например БАК).
И двете STEAM устройства получават терагерцови импулси от единен лазер с близко инфрачервена светлина (NIR), който също активира фотокатода на електронния пистолет, което води до вътрешна синхронизация между електроните и ускоряващите полета. Ултравиолетовите импулси за фотоемисия на фотокатода се генерират чрез два последователни етапа ГВГ* основната дължина на вълната на близко инфрачервена светлина. Този процес преобразува лазерния импулс с дължина на вълната 1020 nm първо в 510 nm, а след това в 255 nm.
ГВГ* (генерация на втора оптична хармоника) — процес на комбиниране на фотони със същата честота по време на взаимодействие с нелинеен материал, което води до образуването на нови фотони с удвоена енергия и честота, както и с два пъти по-кратка дължина на вълната.
Останалата част от лъча на NIR лазера се разделя на 4 лъча, които се използват за генериране на четири едноциклови терагерцови импулса чрез генериране на разлика на импулсни честоти.
Два терагерцови импулса след това влизат във всяко STEAM устройство през симетрични рогови структури, които насочват терагерцовата енергия в областта на взаимодействие перпендикулярно на посоката на разпространение на електроните.
Когато електроните влязат в всяко от STEAM устройствата, те са изложени на електрическите и магнитните компоненти на силата на Лоренц*.
Силата на Лоренц* — силата, с която електромагнитно поле въздейства на заредена частица.
В този случай, електрическото поле отговаря за ускорение и забавяне, докато магнитното поле предизвиква попречни отклонения.
Изображение №2
Както виждаме на изображението 2а и 2b, вътре в всяко STEAM устройство, терагерцовите лъчи са разделени по ширина от тънки метални пластини в няколко слоя с различна дебелина, всеки от които действа като вълновод, пренасяйки част от общата енергия в областта на взаимодействие. Също така, във всеки слой присъстват диелектрични пластини, за да се синхронизира времето на настъпване на терагерцовия вълнов фронт* с фронта на електроните.
Вълнов фронт* — повърхност, до която е достигнала вълната.
И двете STEAM устройства работят в електрически режим, т.е. така, че да произвеждат накладка на електрическото поле и потискане на магнитното поле в центъра на областта на взаимодействие.
В първото устройство електроните са подбрани по такъв начин, че да преминават през нулирането* терагерцово поле, където времевите градиенти на електрическото поле са максимизирани, а средното поле е минимизирано.
Нулирането* е точка, в която няма напрежение.
Такава конфигурация причинява ускорение на опашката на електронния сноп и забавяне на неговата глава, което води до балистично longitudinално фокусиране (2а и 2c).
Във второто устройство синхронизацията на електроните и терагерцовото излъчване е настроена така, че електронният сноп да изпитва само отрицателния цикъл на терагерцовото електрическо поле. Тази конфигурация води до чисто непрекъснато ускорение (2b и 2d).
Лазерът с NIR излъчване наподобява криогенно охладена система Yb:YLF, която генерира оптични импулси с продължителност 1.2 пс и енергия 50 мДж при дължина на вълната 1020 нм и честота на повторение 10 Hz. А терагерцовите импулси с централна честота 0.29 терагерца (период от 3.44 пс) се генерират чрез метод на наклонен фронт на импулса.
За захранване на STEAM-buncher (компресор на снопа) е използвана само 2 х 50 нДж терагерцова енергия, а за STEAM-linac (линеен ускорител) са необходими 2 х 15 мДж.
Диаметърът на входните и изходните отвори на двата STEAM устройства е 120 мкм.
Компресорът на снопа е проектиран с три слоя със същата височина (0.225 мм), които са оборудвани с плочи от плавен кварц (ϵr =4.41) с дължини 0.42 и 0.84 мм за контрол на времевата синхронизация. Равните височини на слоевете на компресора отразяват факта, че ускорението не настъпва (2c).
Но в линейния ускорител височините вече се различават — 0.225, 0.225 и 0.250 мм (+ плочи от плавен кварц 0.42 и 0.84 мм). Увеличаването на височината на слоя обяснява увеличението на скоростта на електроните при ускорение.
Учените отбелязват, че броят на слоевете пряко влияе на функционалността на всяко от двете устройства. За постигане на по-висока степен на ускорение, например, ще са необходими повече слоеве и друга конфигурация на височините за оптимизация на взаимодействието.
Резултати от практическите експерименти
Първо, изследователите напомнят, че в традиционните ускорители на база радиочестота влиянието на времевата дължина на внедрения електронен сноп върху свойствата на ускорения сноп е свързано с промяна на електрическото поле, изпитвано по време на взаимодействие от различни електрони в снопа, идващи в различно време. Следователно, може да се предположи, че полята с голям градиент и сноповете с по-дълга продължителност ще доведат до по-голямо разпределение на енергиите. Въведените снопове с голяма дължина също могат да доведат до по-високи стойности. емитанс*.
Емитанс* — фазово пространство, което заема ускореният сноп от заредени частици.
В случая на терагерцовия ускорител периодът на възбуждащото поле е приблизително 200 пъти по-кратък. Следователно, напрежението* поддържаното поле ще бъде 10 пъти по-високо.
Напрежението на електрическото поле* — показател за електрическото поле, равен на отношението на силата, прилагана на неподвижен точков заряд, поставен в дадена точка на полето, към величината на този заряд.
Следователно, в терагерцовия ускорител градиентите на полето, изпитвани от електроните, могат да бъдат с няколко реда по-високи, отколкото в обикновено устройство. Времевата скала, на която кривината на полето е забележима, ще бъде значително по-малка. Оттук следва, че продължителността на въведения сноп от електрони ще има по-изразено влияние.
Учени провериха данните на практика. За целта те въвеждаха снопове електрони с различна продължителност, която се контролира чрез компресия, осъществявана с първото устройство STEAM (STEAM-buncher).
Изображение №3
В случая, когато компресорът не е бил свързан към захранване, снопове електрони (55 кеВ) с заряд ∼1 фКл (фемтокулон) преминавали приблизително 300 мм от електронното оръдие до устройството за линейно ускорение (STEAM-linac). Тези електрони могат да се разширяват под действието на силите на пространствения заряд до продължителности над 1000 фс (фемтосекунди).
При такава продължителност електронният сноп заемаше около 60% от полувълната на ускоряващото поле с честота 1,7 пс, което водеше до енергийния спектър след ускорение с пик на 115 кеВ и половин ширина на енергийното разпределение над 60 кеВ (3а).
За да сравним тези резултати с очакваните, беше моделирана ситуация на разпространение на електрони през линейен ускорител, когато електроните са били разсинхронизирани (т.е. не съвпадат с) относно оптималното време на въвеждане. Изчисленията на такава ситуация показаха, че увеличението на енергията на електроните зависи много от момента на въвеждане, дори до субпикосекунден времеви мащаб (3b). Тоест при оптимална настройка електронът ще изпитва пълен полупериод на ускорение от терагерцово излъчване във всеки слой (3c).
Ако електроните пристигат в различно време, то те изпитват по-малко ускорение в първия слой, което изисква повече време за преминаване. След това разсинхронизацията се усилва в следващите слоеве, което води до нежелано забавяне (3d).
За да се минимизира отрицателният ефект на времевата продължителност на пакета от електрони, първото STEAM устройство работеше в режим на компресия. Продължителността на пакета от електрони на линейния ускорител беше оптимизирана до минимум ~ 350 фс (полуширина) чрез настройка на терагерцовата енергия, подавана на компресора, и превключване на линейния ускорител в режим на щриховка (4b).
Изображение №4
Минималната продължителност на пакета беше установена в съответствие с продължителността на UV импулса на фотокатода, която беше ~ 600 фс. Също така важно значение имаше разстоянието между компресора и лентата, което ограничаваше силата на сгъстяване по скорост. В комбинация, тези мерки позволяват да се осигури фемтосекундна точност на фазата на въвеждане на етапа на ускорение.
На изображението 4а Ясно е, че разпределението на енергията на компресирания електронен пакет след оптимизирано ускорение в линейния ускорител намалява около 4 пъти в сравнение с некомпресирания. Благодарение на ускорението, енергийният спектър на компресирания пакет се измести към по-високи енергии, в контекста на некомпресирания пакет. Пикът на енергийния спектър след ускорение достига около 115 кеВ, а високата енергийна опашка достига около 125 кеВ.
Тези показатели, по скромно мнение на учените, представляват нов рекорд на ускорение (до предишното ускорение от 70 кеВ) в терагерцовия диапазон.
Но, за да се намали разпределението на енергията (4а), е необходимо да се постигне дори по-кратък пакет.
Изображение №5
В случай на некомпресиран входящ пакет параболичната зависимост на размера на пакета от тока разкрива поперечен емитанс в хоризонтално и вертикално направление: εx,n = 1.703 мм*мрад и εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).
Компресията, от своя страна, подобри поперечния емитанс 6 пъти до εx,n = 0,285 мм*мрад (хоризонтален) и εy,n = 0,246 мм*мрад (вертикален).
Струва си да се отбележи, че степента на намаляване на емитанса е приблизително два пъти по-голяма от степента на съкращаване на продължителността на пакета, което е мярка за нелинейността на динамиката на взаимодействието с времето, когато електроните изпитват силна фокусировка и дефокусировка на магнитното поле по време на ускорението (5b и 5с).
На изображението 5b вижда се, че електроните, въведени в оптималното време, изпитват целия полупериод на ускорение на електрическото поле. Докато електроните, които пристигат преди или след оптималния момент, изпитват по-малко ускорение и дори частично забавяне. В резултат на това, тези електрони получават по-малко енергия, грубо казано.
Подобна ситуация се наблюдава и при въздействие на магнитното поле. Електроните, въведени в оптималното време, изпитват симетрично количество положителни и отрицателни магнитни полета. Ако обаче въвеждането на електрони е станало преди оптималното време, то е имало повече положителни полета и по-малко отрицателни. При въвеждане на електрони след оптималното време — по-малко положителни и повече отрицателни (5с). Такива отклонения водят до това, че електронът може да се отклони наляво, надясно, нагоре или надолу в зависимост от положението си относно оста, което води до увеличаване на поперечния импулс, съответстващ на фокусировката или дефокусировката на лъча.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Обобщавайки, производителността на ускорителя ще се увеличава в случай на намаляване на продължителността на пакета от електрони. В този труд постижимата продължителност на пакета беше ограничена отGeometry на инсталацията. Но в теорията, продължителността на пакета може да достигне и по-малко от 100 фс.
Също така учените отбелязват, че качеството на пакета може да бъде допълнително подобрено чрез намаляване на височината на слоевете и увеличаване на тяхното количество. Въпреки това, този метод не е без проблеми, в частност повишаване на сложността на производството на устройството.
Тази работа е начален етап на по-обширно и детайлно изследване на миниатюрната версия на линейния ускорител. Въпреки че тестваната версия вече показва отлични резултати, които могат да се нарекат рекордни, предстои още много работа.
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и приятна работна седмица на всички, приятели! 🙂
Благодарим, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
