Малък, но смел: миниатюрен линеен ускорител на частици, който постави нов рекорд

Познатият принцип „повече е по-мощен“ отдавна е установен в много сектори на обществото, включително науката и технологиите. В съвременните реалности обаче практическото прилагане на поговорката „малък, но силен“ става все по-често срещано. Това се проявява както в компютрите, които преди заемаха цяла стая, но сега се побират в дланта на дете, така и в ускорителите на заредени частици. Да, помните ли Големия адронен колайдер (LHC), чиито впечатляващи размери (26 659 м дължина) са буквално посочени в името му? И така, това вече е нещо от миналото според учени от DESY, които са разработили миниатюрна версия на ускорителя, която не отстъпва по производителност на своя пълноразмерен предшественик. Нещо повече, мини ускорителят дори постави нов световен рекорд сред терагерцовите ускорители, удвоявайки енергията на вградените електрони. Как е създаден миниатюрният ускорител, какви са основните принципи на неговата работа и какво показват практическите експерименти? Докладът на изследователската група ще ни помогне да разберем това. Отивам.

Изследователска база

Според Dongfang Zhang и колегите му от DESY (German Electron Synchrotron), които са разработили мини-ускорителя, свръхбързите източници на електрони играят невероятно важна роля в живота на съвременното общество. Много от тях се появяват в медицината, развитието на електрониката и научните изследвания. Най-големият проблем с настоящите линейни ускорители, използващи радиочестотни осцилатори, е тяхната висока цена, сложна инфраструктура и впечатляваща консумация на енергия. И такива недостатъци значително ограничават достъпа до такива технологии за по-широк кръг потребители.

Тези очевидни проблеми са чудесен стимул за разработване на устройства, чийто размер и консумация на енергия няма да предизвикат ужас.

Сред относителните новости в тази индустрия са терагерцовите ускорители, които имат редица „предимства“:

• Очаква се късите вълни и късите импулси на терахерцово излъчване значително да повишат прага разбивка*, причинени от полето, което ще увеличи градиентите на ускорение;

Електрическа повреда* - рязко увеличаване на силата на тока при прилагане на напрежение над критичното.

• наличието на ефективни методи за генериране на терагерцово лъчение с високо поле позволява вътрешна синхронизация между електрони и възбуждащи полета;
• Класическите методи могат да се използват за създаване на такива устройства, но тяхната цена, време за производство и размер ще бъдат значително намалени.

Учените смятат, че техният терагерцов ускорител с милиметров мащаб е компромис между наличните в момента конвенционални ускорители и микроускорителите, които се разработват, но имат много недостатъци поради много малките си размери.

Изследователите не отричат, че технологията за терагерцово ускорение се разработва от известно време. Според тях обаче все още има много аспекти в тази област, които не са проучени, тествани или внедрени.

В своята работа, която разглеждаме днес, учените демонстрират възможностите на STEAM (сегментиран терагерцов електронен ускорител и манипулатор) - сегментиран терагерцов електронен ускорител и манипулатор. STEAM прави възможно намаляването на дължината на електронния лъч до субпикосекундна продължителност, като по този начин осигурява фемтосекунден контрол върху фазата на ускорение.

Беше възможно да се постигне поле на ускорение от 200 MV/m (MV - мегаволт), което води до рекордно терахерцово ускорение от > 70 keV (килоелектронволта) от вградения електронен лъч с енергия от 55 keV. По този начин са получени ускорени електрони до 125 keV.

Структура и изпълнение на устройството

Изображение № 1: диаграма на изследваното устройство.

Изображение № 1-2: a - диаграма на разработената 5-слойна сегментирана структура, b - съотношение на изчисленото ускорение и посока на разпространение на електрони.

Електронни лъчи (55 keV) се генерират от електронен пистолет* и се въвеждат в terahertz STEAM-buncher (лъчев компресор), 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 веднъж, което отличава линейния ускорител от цикличния (например LHC).

И двете устройства STEAM получават терахерцови импулси от единичен близък инфрачервен (NIR) лазер, който също задейства фотокатода на електронния пистолет, което води до вътрешна синхронизация между електрони и ускоряващи полета. Ултравиолетовите импулси за фотоемисия на фотокатода се генерират през два последователни етапа GVG* основна дължина на вълната на близката инфрачервена светлина. Този процес преобразува лазерен импулс от 1020 nm първо в 510 nm и след това в 255 nm.

GVG* (генериране на оптична втора хармоника) е процесът на комбиниране на фотони с една и съща честота по време на взаимодействие с нелинеен материал, което води до образуването на нови фотони с двойна енергия и честота, както и половината от дължината на вълната.

Останалата част от NIR лазерния лъч се разделя на 4 лъча, които се използват за генериране на четири едноциклични терагерцови импулси чрез генериране на честотни разлики в импулса.

След това двата терагерцови импулса се доставят до всяко устройство STEAM чрез симетрични рупорни структури, които насочват терагерцовата енергия в областта на взаимодействие в посоката на разпространение на електрони.

Когато електроните навлязат във всяко STEAM устройство, те са изложени на електрически и магнитни компоненти Сили на Лоренц*.

Сила на Лоренц* - силата, с която електромагнитното поле действа върху заредена частица.

В този случай електрическото поле е отговорно за ускорението и забавянето, а магнитното поле причинява странични отклонения.

Изображение #2

Както виждаме на изображенията 2a и 2b, Във всяко устройство STEAM терагерцовите лъчи са разделени напречно от тънки метални листове на няколко слоя с различна дебелина, всеки от които действа като вълновод, пренасяйки част от общата енергия към областта на взаимодействие. Във всеки слой има и диелектрични плочи за координиране на времето на пристигане на терахерца фронт на вълната* с фронта на електроните.

Wavefront* - повърхността, до която е достигнала вълната.

И двете устройства STEAM работят в електрически режим, тоест по такъв начин, че да наложат електрическо поле и да потиснат магнитно поле в центъра на зоната на взаимодействие.

В първото устройство електроните са настроени да преминат през него преминаване през нулата* терахерцово поле, където времевите градиенти на електрическото поле са максимизирани, а средното поле е сведено до минимум.

Преминаване през нулата* - точка, в която няма напрежение.

Тази конфигурация кара опашката на електронния лъч да се ускорява и главата му да забавя, което води до балистично надлъжно фокусиране (2a и 2s).

Във второто устройство синхронизирането на електронното и терахерцовото излъчване е настроено така, че електронният лъч изпитва само отрицателен цикъл на терахерцовото електрическо поле. Тази конфигурация води до нетно непрекъснато ускорение (2b и 2d).

NIR лазерът е криогенно охладена Yb:YLF система, която произвежда оптични импулси с продължителност 1.2 ps и 50 mJ енергия при дължина на вълната 1020 nm и честота на повторение 10 Hz. И терахерцови импулси с централна честота от 0.29 терахерца (период от 3.44 ps) се генерират чрез метода на наклонения импулсен фронт.

За захранване на STEAM-buncher (лъчев компресор) е използвана само 2 x 50 nJ терахерцова енергия, а STEAM-linac (линеен ускорител) изисква 2 x 15 mJ.

Диаметърът на входните и изходните отвори и на двата STEAM устройства е 120 микрона.

Компресорът на лъча е проектиран с три слоя с еднаква височина (0 mm), които са оборудвани с пластини от разтопен силициев диоксид (ϵr = 225) с дължина 4.41 и 0.42 mm за контрол на времето. Еднаквите височини на компресорните слоеве отразяват факта, че няма ускорение (2s).

Но в линейния ускорител височините вече са различни - 0.225, 0.225 и 0.250 мм (+ разтопени кварцови пластини 0.42 и 0.84 мм). Увеличаването на височината на слоя обяснява увеличаването на скоростта на електроните по време на ускорението.

Учените отбелязват, че броят на слоевете е пряко отговорен за функционалността на всяко от двете устройства. Постигането на по-високи нива на ускорение, например, ще изисква повече слоеве и различни конфигурации на височина за оптимизиране на взаимодействието.

Резултати от практически опити

Първо, изследователите напомнят, че в традиционните радиочестотни ускорители, ефектът от времевия обхват на вградения електронен лъч върху свойствата на ускорения лъч се дължи на промяната в електрическото поле, изпитвано по време на взаимодействието на различни електрони в лъча, пристигащ по различно време. По този начин може да се очаква, че полета с по-високи градиенти и лъчи с по-голяма продължителност ще доведат до по-голямо енергийно разпространение. Инжектираните лъчи с голяма продължителност също могат да доведат до по-високи стойности излъчвания*.

Излъчване* — фазово пространство, заето от ускорен сноп от заредени частици.

При терахерцовия ускорител периодът на възбуждащото поле е приблизително 200 пъти по-кратък. следователно напрежение* поддържаното поле ще бъде 10 пъти по-високо.

Напрегнатост на електрическото поле* - индикатор за електрическото поле, равен на съотношението на силата, приложена към неподвижен точков заряд, поставен в дадена точка на полето, към големината на този заряд.

По този начин, в терагерцов ускорител, градиентите на полето, изпитвани от електроните, могат да бъдат с няколко порядъка по-високи, отколкото в конвенционално устройство. Времевата скала, в която се забелязва кривината на полето, ще бъде значително по-малка. От това следва, че продължителността на въведения електронен лъч ще има по-изразен ефект.

Учените решили да тестват тези теории на практика. За да направят това, те въведоха електронни лъчи с различна продължителност, които бяха контролирани чрез компресия с помощта на първото STEAM устройство (STEAM-buncher).

Изображение #3

В случай, че компресорът не е свързан към източник на енергия, лъчи от електрони (55 keV) със заряд ~1 fC (фемтокулон) преминават приблизително 300 mm от електронния пистолет до устройството за линеен ускорител (STEAM-linac). Тези електрони могат да се разширяват под въздействието на силите на пространствения заряд до продължителност от повече от 1000 fs (фемтосекунди).

При тази продължителност електронният лъч заема около 60% от дължината на половин вълна на ускоряващото поле при честота от 1,7 ps, което води до енергиен спектър след ускорението с пик при 115 keV и полуширина на енергийното разпределение над 60 keV (3a).

За да се сравнят тези резултати с очакваните, ситуацията на разпространение на електрони през линеен ускорител беше симулирана, когато електроните не бяха синхронизирани с (т.е. извън синхрон с) оптималното време за инжектиране. Изчисленията на тази ситуация показаха, че увеличаването на енергията на електроните е силно зависимо от момента на инжектиране, до субпикосекундна времева скала (3b). Тоест, при оптимална настройка, електронът ще изпита пълен полуцикъл на терахерцово радиационно ускорение във всеки слой (3s).

Ако електроните пристигат по различно време, те изпитват по-малко ускорение в първия слой, което ги кара да пътуват по-дълго през него. След това десинхронизацията се увеличава в следващите слоеве, причинявайки нежелано забавяне (3d).

За да се минимизира негативният ефект от времевото разширение на електронния лъч, първото STEAM устройство работи в режим на компресия. Продължителността на електронния лъч в линейния ускорител беше оптимизирана до минимум ~350 fs (половин ширина) чрез настройване на терахерцовата енергия, подадена към компресора, и превключване на линейния ускорител в режим на люкване (4b).

Изображение #4

Минималната продължителност на лъча беше зададена в съответствие с продължителността на UV импулса на фотокатода, който беше ~ 600 fs. Разстоянието между компресора и лентата също играе важна роля, което ограничава скоростта на силата на удебеляване. Заедно тези мерки позволяват фемтосекундна точност във фазата на инжектиране на фазата на ускорение.

На изображението 4a може да се види, че енергийното разпространение на компресирания електронен лъч след оптимизирано ускорение в линеен ускорител намалява с ~ 4 пъти в сравнение с некомпресирания. Поради ускорението енергийният спектър на компресирания лъч се измества към по-високи енергии, за разлика от некомпресирания лъч. Пикът на енергийния спектър след ускорение е около 115 keV, а високоенергийната опашка достига около 125 keV.

Тези цифри, според скромното изявление на учените, са нов рекорд за ускорение (преди ускорението беше 70 keV) в терагерцовия диапазон.

Но за да се намали дисперсията на енергия (4a), трябва да се постигне още по-къс лъч.

Изображение #5

В случай на некомпресиран въведен лъч, параболичната зависимост на размера на лъча от тока разкрива напречното излъчване в хоризонтална и вертикална посока: εx,n = 1.703 mm*mrad и εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).

Компресията, от своя страна, подобри напречното излъчване с 6 пъти до εx,n = 0,285 mm*mrad (хоризонтално) и εy,n = 0,246 mm*mrad (вертикално).

Струва си да се отбележи, че степента на намаляване на излъчването е приблизително два пъти по-голяма от степента на намаляване на продължителността на лъча, което е мярка за нелинейността на динамиката на взаимодействието с времето, когато електроните изпитват силно фокусиране и дефокусиране на магнитното поле по време на ускорение (5b и 5s).

На изображението 5b Може да се види, че електроните, въведени в оптималното време, изпитват целия полупериод на ускорение на електрическото поле. Но електроните, които пристигат преди или след оптималното време, изпитват по-малко ускорение и дори частично забавяне. Такива електрони завършват с по-малко енергия, грубо казано.

Подобна ситуация се наблюдава при излагане на магнитно поле. Електроните, инжектирани в оптималното време, изпитват симетрични количества положителни и отрицателни магнитни полета. Ако въвеждането на електрони се случи преди оптималното време, тогава имаше повече положителни полета и по-малко отрицателни. Ако електроните се въвеждат по-късно от оптималното време, ще има по-малко положителни и повече отрицателни (5s). И такива отклонения водят до факта, че електронът може да се отклони наляво, надясно, нагоре или надолу, в зависимост от позицията си спрямо оста, което води до увеличаване на напречния импулс, съответстващ на фокусирането или разфокусирането на лъча.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате съобщават учените и Допълнителни материали на него.

Епилог

В обобщение, производителността на ускорителя ще се увеличи, ако се намали продължителността на електронния лъч. В тази работа постижимата продължителност на лъча беше ограничена от геометрията на инсталацията. Но на теория продължителността на лъча може да достигне по-малко от 100 fs.

Учените също така отбелязват, че качеството на лъча може да бъде допълнително подобрено чрез намаляване на височината на слоевете и увеличаване на броя им. Въпреки това, този метод не е без проблеми, по-специално увеличаване на сложността на производството на устройството.

Тази работа е началният етап от по-обширно и подробно изследване на миниатюрна версия на линеен ускорител. Въпреки факта, че тестваната версия вече показва отлични резултати, които с право могат да бъдат наречени рекордни, все още има много работа.

Благодаря ви за вниманието, бъдете любопитни и желая страхотна седмица на всички! 🙂

Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как да споделите сървър? (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV от $199 в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за Как да изградим инфраструктура Corp. клас с използване на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за стотинка?

Източник: www.habr.com