Малък, но мощен: миниатюрен линейен ускорител на частици, поставил нов рекорд

Принципът "повече означава по-силно" отдавна е утвърден в много сфери на обществения живот, включително в науката и технологиите. Въпреки това, в съвременните условия все по-често срещаме практическа реализация на поговорката "малък, но мощен". Това се проявява както в компютрите, които преди заемаха цяла стая, а сега се побират в дланта на дете, така и в ускорителите на заредени частици. Да, помните големия адронен колайдер (БАК), чиито внушителни размери (26 659 м дължина) буквално са посочени в името му? Така че, това вече е в миналото, според учени от DESY, разработили миниатюрна версия на ускорител, който по показатели не отстъпва на своя пълноразмерен предшественик. Освен това, мини ускорителят дори постави нов световен рекорд сред терагерцовите ускорители, удвоявайки енергията на внедрените електрони. Как беше разработен миниатюрният ускорител, какви са основните принципи на неговото действие и какво показаха практическите експерименти? За това ще ни помогне докладът на изследователската група. Нека започнем.

Основата на изследването

Според Дунфан Чжан (Dongfang Zhang) и неговите колеги от DESY (Немски електронен синхротрон), които разработиха мини-ускорителя, свръхбързите източници на електрони играят невероятно важна роля в живота на съвременното общество. Много от тях се проявяват в медицината, разработването на електроника и в научните изследвания. Най-голямата проблематика на настоящите линейни ускорители, използващи радиочестотни генератори, е тяхната скъпоструваща, сложна инфраструктура и внушителните изисквания относно консумираната мощност. Тези недостатъци силно ограничават достъпността на подобни технологии за по-широк кръг потребители.

Тези явни проблеми са отличен стимул за разработването на устройства, чиито размери няма да предизвикват ужас, както и степента на потребяваната мощност.

Сред относителните новини в тази област можем да подчертаем терагерцовите ускорители, които притежават редица "предимства":

• очаква се, че кратките вълни и кратките импулси на терагерцовото излъчване значително ще увеличат прага на пробив*, причинен от полето, което ще позволи да се увеличат градиентите на ускорение;

Електрически пробив* — рязко увеличение на тока при прилагане на напрежение над критичното.

• наличието на ефективни методи за генериране на вискополево терагерцово излъчване позволява да се осъществява вътрешна синхронизация между електроните и полетата на възбуждане;
• за създаването на такива устройства могат да се прилагат класически методи, но техните разходи, време за производство и размери ще бъдат сериозно намалени.

Учените считат, че техният терагерцов ускорител в милиметрови мащаби е компромис между обикновените ускорители, които съществуват в момента, и микро-уск acelerators, които се разработват, но имат много недостатъци поради своята прекалено малка форма.

Изследователите не отричат, че технологията за терагерцово ускорение вече от известно време е в разработка. Въпреки това, по тяхно мнение, в тази област все още има много аспекти, които не са били изучавани, проверявани или реализирани.

В своето изследване, което днес разглеждаме, учените демонстрират възможностите на STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — сегментиран терагерцов електронен ускорител и манипулатор. STEAM позволява да се намали дължината на електронния сноп до субпикосянтна продължителност, осигурявайки по този начин фемтосекунден контрол върху фазата на ускорение.

Успяха да постигнат ускорително поле от 200 МВ/м (МВ — мегаволт), което води до рекордно терагерцово ускорение от > 70 кеВ (килоелектронволта) от внедрения електронен сноп с енергия 55 кеВ. По този начин са получени ускорени електрони до 125 кеВ.

Структура на устройството и неговата реализация

Изображение №1: схема на изследваното устройство.

Изображение №1-2: а — схема на разработената 5-слойна сегментирана структура, b — отношение на изчисленото ускорение и посоката на разпространение на електроните.

Електронните снопове (55 кеВ) се генерират от електронна пушка* и се внедряват в терагерцовия STEAM-buncher (компресор на снопа), след което преминават в STEAM-linac (линеен ускорител*).

Електронна пушка* — устройство за генериране на сноп от електрони с необходимата конфигурация и енергия.

Линеен 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 един лазер на близка инфрачервена светлина (NIR), който също активира фотокатода на електронната пушка, което води до вътрешна синхронизация между електроните и ускоряващите полета. Ултравиолетовите импулси за фотоемисията на фотокатода се генерират чрез две последователни фази. ГВГ* основна дължина на вълната на близката 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 с еднаква честота по време на взаимодействие с нелинеен материал, което води до формирането на нови фотони с удвоена енергия и честота, както и с два пъти по-къса 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 в импулсните честоти.

Два терагерцови импулса след това влизат в всяко STEAM устройство през симетрични рогови структури, които насочват терагерцовата енергия в зоната на взаимодействие, перпендикулярно на посоката на разпространение на електроните.

Когато електроните навлизат в всяко от STEAM устройствата, те са подложени на въздействие от електрическите и магнитните компоненти. силата на Лоренц*.

Силата на Лоренц* — силата, с която електромагнитното поле въздейства на заредена частица.

В този случай електрическото поле отговаря за ускорението и забавянето, а магнитното поле предизвиква напречни отклонения.

Изображение №2

Както виждаме на изображението 2а и 2b, вътре в всяко STEAM устройство терагерцовите лъчи са разделени напречно с тънки метални листи в няколко слоя с различна дебелина, всеки от които действа като влагоносител, пренасящ част от общата енергия в зоната на взаимодействие. Освен това, във всеки слой присъстват диелектрични пластини, за да се синхронизира времето на пристигане на терагерцовия вълнов фронт* с фронта на електроните.

Вълнов фронт* — повърхността, до която е достигнала вълната.

И двете STEAM устройства работят в електрически режим, т.е. така, че да генерират накладане на електрическото поле и потискане на магнитното поле в централната зона на взаимодействие.

В първото устройство електроните са синхронизирани по време, така че да преминават през пресечната точка на нула* терагерцевото поле, където времевите градиенти на електрическото поле са максимизирани, а средното поле е минимизирано.

Пресечната точка на нула* е точката, в която няма напрежение.

Такава конфигурация предизвиква ускорение на опашката на електронния сноп и забавяне на главата му, което води до балистична надлъжна фокусировка (2а и 2с).

Във второто устройство синхронизацията между електроните и терагерцовото излъчване е настроена така, че електронният сноп да усети само отрицателния цикъл на терагерцовото електрическо поле. Тази конфигурация води до чисто непрекъснато ускорение (2b и 2d).

Лазерът с NIR излъчване напомня на криогенно охладена Yb:YLF система, която генерира оптични импулси с продължителност 1.2 пс и енергия 50 мДж при дължина на вълната 1020 нм и честота на повтаряне 10 Hz. А терагерцовите импулси с централна честота 0.29 терагерц (период от 3.44 пс) се генерират с метода на наклонен фронт на импулса.

За захранване на STEAM-buncher (компресор на снопа) са използвани само 2 х 50 нДж терагерцова енергия, а за STEAM-linac (линейен ускорител) са необходими 2 х 15 мДж.

Диаметърът на входните и изходните отвори на двете STEAM устройства е 120 мкм.

Компресорът на снопа е проектиран с три слоя с еднаква 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 ускорение не се случва (2с).

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). Увеличението 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 оптимизиране на взаимодействието.

Резултатите от практически опити

На първо място, изследователите напомнят, че в традиционните ускорители, основани на радиочестоти, влиянието на времевата продължителност на внедрения електронен сноп върху свойствата на ускорения сноп е свързано с промяната на електрическото поле, което се преживява по време на взаимодействието на различни електрони вътре в снопа, постъпващи по различно време. Така можем да предположим, че полета с голям градиент и снопове с по-дълга продължителност ще доведат до по-голямо разпределение на енергиите. Введените снопове с голяма продължителност също могат да доведат до по-високи стойности. емиттанси*.

Емиттанс* — фазовото пространство, което заема ускореният сноп заредени частици.

В случая на терагерцовия ускорител периодът на възбуждащото поле е около 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, приложена на неподвижен точков заряд, поставен в дадена точка на полето, към стойността на този заряд.

Следователно в терагерцовия ускорител градиентите на полето, на които са подложени електроните, могат да бъдат с няколко реда по-високи в сравнение с обикновеното устройство. Времевият мащаб, на който кривината на полето е забележима, ще бъде значително по-малък. Оттук следва, че продължителността на внедрения електронен сноп ще има по-изразено влияние.

Изследователите практически решили да проверят данните от теорията. За това те въвеждали снопове електрони с различна продължителност, която се контролирала чрез компресия, осъществена от първото устройство STEAM (STEAM-buncher).

Изображение №3

В случай, че компресорът не е бил свързан към захранването, електронни снопове (55 кеВ) с заряд ∼1 фКл (фемтокулон) преминавали около 300 мм от електронната пушка до устройството за линейно ускорение (STEAM-linac). Тези електрони можели да се разширяват под действието на сили на пространствения заряд до продължителност над 1000 фс (фемтосекунди).

При такава продължителност електронният сноп заема около 60% от полувълната на ускоряващото поле с честота 1,7 пс, което води до енергийния спектър след ускорение с пик на 115 кеВ и пълна ширина на разпределението на енергия над 60 кеВ (3а).

За да сравним тези резултати с очакваните, беше моделирана ситуацията 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 значително от момента на въвеждане дори в субпикосекундния времеви мащаб (3b). Тоест, при оптимални настройки електронът ще изпитва пълен полупериод на ускорение на терагерцовото излъчване на всеки слой (3с).

Ако обаче електроните пристигат в различно време, те изпитват по-малко ускорение в първия слой, поради което им е нужно повече време за преминаване. След това разсинхронизацията се засилва в следващите слоеве, което води до нежелано забавяне (3d).

С цел максимално да се намали отрицателният ефект на времевата протяжност на снопа електрони, първото STEAM устройство работеше в режим на компресия. Продължителността на снопа 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 нарязване (4b).

Изображение №4

Минималната продължителност на снопа беше установена в съответствие с продължителността на UV импулса на фотокатода, която беше ~ 600 фс. Също така важна роля играеше 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 Лесно се вижда, че разпределението на енергията на компресирания електронен сноп след оптимизирано ускорение в линейния ускорител се намалява с ~ 4 пъти в сравнение с некондензирания. Благодарение на ускорението енергийният спектър на компресирания сноп се измества към по-високи енергии, за разлика от некондензирания сноп. Върхът на енергийния спектър след ускорението е около 115 кеВ, а високочастотният опашка достига около 125 кеВ.

Тези показатели, по скромното мнение на учените, са нов рекорд за ускорение (предишното ускорение беше 70 кеВ) в терагерцовия диапазон.

Но, за да се намали разпределението на енергията (4а), е необходимо да се достигне още по-кратък сноп.

Изображение №5

В случай на несжат поток, параболичната зависимост на размера на потока от тока показва напречен емитанс в хоризонтално и вертикално направление: εx,n = 1.703 мм*мрад и εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).

Сжатият поток, от своя страна, подобри напречния емитанс 6 пъти до εx,n = 0,285 мм*мрад (хоризонтален) и εy,n = 0,246 мм*мрад (вертикален).

Следва да се отбележи, че степента на намаление на емитанса е приблизително два пъти по-голяма от степента на намаление на продължителността на потока, което е мярка за нелинейността на динамиката на взаимодействието с времето, когато електроните изпитват силна фокусировка и дефокусировка на магнитното поле по време на ускорение (5b и 5с).

На изображението 5b видно е, че електроните, въведени в оптимално време, преминават през целия полупериод на ускорение на електричното поле. Докато електроните, които идват преди или след оптималния момент, изпитват по-малко ускорение и дори частично забавяне. Тези електрони в резултат получават по-малко енергия, грубо казано.

Подобна ситуация се наблюдава и при въздействие на магнитното поле. Електроните, въведени в оптимално време, изпитват симетрично количество положителни и отрицателни магнитни полета. Ако електроните бяха въведени преди оптималното време, имаше повече положителни полета и по-малко отрицателни. В случай на 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 спрямо оста, което води до увеличаване на напречния импулс, съответстващ на фокусировка или дефокусировка на лъча.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с доклада на учените и допълнителните материали към него.

Епилог

В заключение, ефективността на ускорителя ще се подобри в случай на намаление на продължителността на потока от електрони. В тази работа постижимата продължителност на потока беше ограничена от геометрията на инсталацията. Но в теорията, продължителността на потока може да достигне и под 100 фс.

Също така учените отбелязват, че качеството на потока може да бъде подобрено в бъдеще чрез намаляване на височината на слоевете и увеличаване на тяхното число. Обаче, този метод не е лишен от проблеми, по-специално увеличаване на сложности при производството на устройството.

Този труд представлява началния етап на по-обширно и детайлно изследване на миниатюрната версия на линейния ускорител. Въпреки че тестваната версия вече демонстрира отлични резултати, които могат справедливо да се нарекат рекордни, все още има много работа.

Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и желая на всички успешна работна седмица, приятели! 🙂

Благодарим ви, че останахте с нас. Харесват ли ви нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати. 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от 20 $ или как правилно да разделите сървър. (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100TB от 199 $ в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това Как да построим инфраструктура от корпоративен клас с помощта на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за малко пари?

Източник: habr.com