Мал, да удал: миниатюрный линейный ускоритель частиц, поставивший новый рекорд

Привычный нам принцип «больше значит мощнее» уже давно устоялся в многих отраслях жизни общества, в том числе в науке и технологиях. Однако в современных реалиях все чаще и чаще встречается практическая реализация поговорки «мал, да удал». Это проявляется как в компьютерах, которые ранее занимали целую комнату, а сейчас помещаются в ладошке ребенка, так и в ускорителях заряженных частиц. Да-да, помните большой адронный коллайдер (БАК), внушительные габариты которого (26 659 м в длину) буквально указаны в его названии? Так вот, это уже в прошлом по мнению ученых из DESY, разработавших миниатюрную версию ускорителя, который по показателям не уступает своему полноразмерному предшественнику. Более того, мини ускоритель даже установил новый мировой рекорд среди терагерцовых ускорителей, удвоив энергию внедренных электронов. Как был разработан миниатюрный ускоритель, какие основные принципы его действия и что показали практические эксперименты? Об этом нам поможет узнать доклад исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

По словам Дунфан Чжан (Dongfang Zhang) и его коллег из DESY (Немецкий Электронный Синхротрон), которые и разработали мини-ускоритель, сверхбыстрые источники электронов играют невероятно важную роль в жизни современного общества. Многие из них проявляются в медицине, разработке электроники и в научных исследованиях. Самой большой проблемой нынешних линейных ускорителей, использующих радиочастотные генераторы, является их дороговизна, сложность инфраструктуры и внушительные аппетиты относительно потребляемой мощности. А такие недостатки сильно ограничивают доступность подобных технологий для более широкого круга пользователей.

Эти очевидные проблемы являются отличным стимулом к разработке устройств, размеры которых не будут вызывать ужас, как и степень потребляемой мощности.

Среди относительных новинок в этой отрасли можно выделить терагерцовые ускорители, которые обладают рядом «плюшек»:

• ожидается, что короткие волны и короткие импульсы терагерцового излучения позволят значительно увеличить порог пробоя*, вызванного полем, что позволит увеличить градиенты ускорения;

Электрический пробой* — резкое возрастание силы тока при приложении напряжения выше критического.

• наличие эффективных методов генерации высокопольного терагерцового излучения позволяет осуществлять внутреннюю синхронизацию между электронами и полями возбуждения;
• для создания таких устройств могут применяться классические методы, но их стоимость, время производства и размеры будут сильно сокращены.

Ученые считают, что их терагерцовый ускоритель в миллиметровых масштабах является компромиссом между обычными ускорителями, что имеются сейчас, и микро-ускорителями, которые разрабатываются, но обладают множеством недостатков ввиду своих уж очень малых габаритов.

Исследователи не отрицают, что технология терагерцового ускорения уже какое-то время находится в разработке. Однако, по их мнению, в данной сфере есть еще масса аспектов, которые не были изучены, проверены или реализованы.

В своем труде, который мы сегодня и рассматриваем, ученые демонстрируют возможности STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — сегментированного терагерцового электронного ускорителя и манипулятора. STEAM позволяет уменьшить длину пучка электронов до субпикосекундной длительности, обеспечивая тем самым фемтосекундный контроль над фазой ускорения.

Удалось достичь поля ускорения в 200 МВ/м (МВ — мегавольт), что приводит к рекордному терагерцовому ускорению в > 70 кэВ (килоэлектронвольт) от внедренного пучка электронов с энергией 55 кэВ. Таким образом были получены ускоренные электроны до 125 кэВ.

Структура устройства и его реализация

Изображение №1: схема исследуемого устройства.

Изображение №1-2: а — схема разработанной 5-слойной сегментированной структуры, b — соотношение расчетного ускорения и направления распространения электронов.

Пучки электронов (55 кэВ) генерируются из электронной пушки* и внедряются в терагерцовый STEAM-buncher (компрессор пучка), после чего переходят в STEAM-linac (линейный ускоритель*).

Электронная пушка* — устройство генерации пучка электронов необходимой конфигурации и энергии.

Линейный ускоритель* — ускоритель, в котором заряженные частицы проходят структуру лишь 1 раз, что отличает линейный ускоритель от циклического (например, БАК).

Оба STEAM устройства получают терагерцовые импульсы от одного лазера ближнего инфракрасного света (NIR), который также запускает фотокатод электронной пушки, что приводит к внутренней синхронизации между электронами и ускоряющими полями. Ультрафиолетовые импульсы для фотоэмиссии на фотокатоде генерируются через две последовательные стадии ГВГ* основной длины волны ближнего инфракрасного света. Этот процесс преобразовывает лазерный импульс с длиной волны 1020 нм сначала в 510 нм, а затем в 255 нм.

ГВГ* (генерация второй оптической гармоники) — процесс объединения фотонов с одинаковой частотой во время взаимодействия с нелинейным материалом, что приводит к формированию новых фотонов с удвоенной энергией и частотой, а также в два раза меньшей длиной волны.

Оставшаяся часть луча NIR-лазера разделяется на 4 луча, которые используются для генерации четырех одноцикловых терагерцовых импульсов посредством генерации разности внутриимпульсных частот.

Два терагерцовых импульса затем поступают в каждое STEAM устройство через симметричные роговые структуры, которые направляют терагерцовую энергию в область взаимодействия поперек направлению распространения электронов.

Когда электроны входят в каждое из STEAM устройство, они подвергаются воздействию электрической и магнитной составляющих силы Лоренца*.

Сила Лоренца* — сила, с которой электромагнитное поле воздействует на заряженную частицу.

В данном случае, электрическое поле отвечает за ускорение и замедление, а магнитное поле вызывает поперечные отклонения.

Изображение №2

Как мы видим на изображениях 2а и 2b, внутри каждого STEAM устройства терагерцовые пучки разделены поперек тонкими металлическими листами в несколько слоев различной толщины, каждый из которых действует как волновод, переносящий часть полной энергии в область взаимодействия. Также в каждом слое присутствуют диэлектрические пластины, чтобы согласовать время прихода терагерцового волнового фронта* с фронтом электронов.

Волновой фронт* — поверхность, до которой дошла волна.

Оба STEAM устройства работают в электрическом режиме, то есть так, чтобы производить наложение электрического поля и подавление магнитного поля в центре области взаимодействия.

В первом устройстве электроны рассчитаны по времени так, чтобы проходить через пересечение нуля* терагерцового поля, где временные градиенты электрического поля максимизированы, а среднее поле минимизировано.

Пересечение нуля* — точка, где нет никакого напряжения.

Такая конфигурация вызывает ускорение хвоста электронного пучка и замедление его головы, что приводит к баллистической продольной фокусировке (2а и 2с).

Во втором устройстве синхронизация электрона и терагерцового излучения устанавливается так, что электронный пучок испытывает только отрицательный цикл терагерцового электрического поля. Такая конфигурация приводит к чистому непрерывному ускорению (2b и 2d).

Лазер с NIR излучением напоминает криогенно охлажденную Yb:YLF систему, которая выдает оптические импульсы с длительностью 1.2 пс и энергией 50 мДж при длине волны 1020 нм и частоте повторения 10 Гц. А терагерцовые импульсы с центральной частотой 0.29 терагерц (период в 3.44 пс) генерируются методом наклонного фронта импульса.

Для питания STEAM-buncher (компрессор пучка) было использовано всего лишь 2 х 50 нДж терагерцовой энергии, а для STEAM-linac (линейный ускоритель) потребовалось 2 х 15 мДж.

Диаметр входного и выходного отверстий как обоих STEAM устройств составляет 120 мкм.

Компрессор пучка спроектирован с тремя слоями одинаковой высоты (0. 225 мм), которые оснащены пластинами из плавленого кварца (ϵr =4.41) длиной 0.42 и 0.84 мм для контроля временной синхронизации. Равные высоты слоев компрессора отражают факт того, что ускорение не происходит (2с).

А вот в линейном ускорителе высоты уже отличаются — 0.225, 0.225 и 0.250 мм (+ пластины из плавленного кварца 0.42 и 0.84 мм). Увеличение высоты слоя объясняет увеличение скорости электронов при ускорении.

Ученые отмечают, что число слоев напрямую отвечает за функционал каждого из двух устройств. Для достижения более высокой степени ускорения, к примеру, потребуется больше слоев и другая конфигурация высот для оптимизации взаимодействия.

Результаты практических опытов

Прежде всего исследователи напоминают, что в традиционных ускорителях на базе радиочастот влияние временной протяженности внедренного электронного пучка на свойства ускоренного пучка связано с изменением электрического поля, испытываемого во время взаимодействия различными электронами внутри пучка, поступающими в разное время. Таким образом, можно предположить, что поля с большим градиентом и пучки с большей длительностью приведут к большему разбросу энергий. Введенные пучки большой длительности также могут приводить к более высоким значениям эмиттансов*.

Эмиттанс* — фазовое пространство, которое занимает ускоренный пучок заряженных частиц.

В случае же терагерцового ускорителя период поля возбуждения примерно в 200 раз короче. Следовательно, напряжённость* поддерживаемого поля будет в 10 раз выше.

Напряженность электрического поля* — показатель электрического поля, равный отношению силы, приложенной на неподвижный точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.

Таким образом, в терагерцовом ускорителе градиенты поля, испытываемые электронами, могут быть на несколько порядков выше, чем в обычном устройстве. Временной масштаб, на котором кривизна поля заметна, при этом будет значительно меньше. Из этого следует, что длительность вводимого пучка электронов будет иметь более выраженное влияние.

Ученые на практике решили проверить данные теории. Для этого они вводили пучки электронов разной длительности, которая контролировалась сжатием за счет первого STEAM устройства (STEAM-buncher).

Изображение №3

В случае, когда компрессор не был подключен к источнику питания, пучки электронов (55 кэВ) с зарядом ∼1 фКл (фемтокулон) проходили примерно 300 мм от электронной пушки к устройству линейного ускорителя (STEAM-linac). Эти электроны могли расширяться под действием сил пространственного заряда вплоть до длительности более 1000 фс (фемтосекунд).

При такой длительности электронный пучок занимал около 60% полуволны ускоряющего поля с частотой 1,7 пс, что приводило к энергетическому спектру после ускорения с пиком на 115 кэВ и полушириной распределения энергии более 60 кэВ (3а).

Для сравнения этих результатов с ожидаемыми была смоделирована ситуация распространения электронов через линейный ускоритель, когда электроны были рассинхронизированы (т.е. не совпадают с) относительно оптимального времени введения. Расчеты такой ситуации показали, что прирост энергии электронов очень зависит от момента введения вплоть до субпикосекундного временного масштаба (3b). То есть при оптимальной настройке электрон будет испытывать полный полупериод ускорения терагерцового излучения в каждом слое (3с).

Если же электроны прибывают в разное время, то испытывают меньшее ускорение в первом слое, от чего им требуется больше времени на его прохождение. Затем рассинхронизация усиливается в следующих слоях, от чего возникает нежелательное замедление (3d).

Дабы максимально снизить отрицательный эффект временной протяженности пучка электронов, первое STEAM устройство работало в режиме сжатия. Длительность пучка электронов на линейном ускорителе была оптимизирована до минимума ~ 350 фс (полуширина) путем настройки терагерцовой энергии, подаваемой на компрессор, и переключения линейного ускорителя в режим штриховки (4b).

Изображение №4

Минимальная длительность пучка была установлена в соответствии с длительностью УФ-импульса фотокатода, длительность которой составляла ~ 600 фс. Также важную роль сыграло расстояние между компрессором и полосой, что ограничивало силу сгущения по скорости. В совокупности эти меры позволяют обеспечить фемтосекундную точность фазы введения на стадии ускорения.

На изображении 4а видно, что разброс энергии сжатого электронного пучка после оптимизированного ускорения в линейном ускорителе уменьшается в ~ 4 раза по сравнению с несжатым. За счет ускорения энергетический спектр сжатого пучка смещается в сторону более высоких энергий, в отличие от несжатого пучка. Пик энергетического спектра после ускорения составляет около 115 кэВ, а высокоэнергетический хвост достигает около 125 кэВ.

Эти показатели, по скромному заявлению ученых, являются новым рекордом ускорения (до ускорения было 70 кэВ) в терагерцовом диапазоне.

Но, чтобы уменьшить разброс энергии (4а), необходимо достичь еще более короткого пучка.

Изображение №5

В случае несжатого введенного пучка параболическая зависимость размера пучка от тока выявляет поперечный эмиттанс в горизонтальном и вертикальном направлениях: εx,n = 1.703 мм*мрад и εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).

Сжатие же, в свою очередь, улучшило поперечный эмиттанс в 6 раз до εx,n = 0,285 мм*мрад (горизонтальный) и εy,n = 0,246 мм*мрад (вертикальный).

Стоит отметить, что степень уменьшения эмиттанса примерно вдвое больше, чем степень сокращения длительности пучка, что является мерой нелинейности динамики взаимодействия со временем, когда электроны испытывают сильную фокусировку и дефокусировку магнитного поля во время ускорения (5b и 5с).

На изображении 5b видно, что электроны, введенные в оптимальное время, испытывают весь полупериод ускорения электрического поля. А вот электроны, которые прибывают до или после оптимального момента времени, испытывают меньшее ускорение и даже частичное замедление. Такие электроны в результате получают меньше энергии, грубо говоря.

Похожая ситуация наблюдается и при воздействии магнитного поля. Электроны, введенные в оптимальное время, испытывают симметричное количество положительных и отрицательных магнитных полей. Если же введение электронов происходило раньше оптимального времени, то было больше положительных полей и меньше отрицательных. В случае введения электронов позднее оптимального времени — меньше положительных и больше отрицательных (5с). А такие отклонения приводят к тому, что электрон может отклониться влево, вправо, вверх или вниз в зависимости от положения относительно оси, что приводит к увеличению поперечного импульса, соответствующего фокусировке или дефокусировке луча.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Суммируя, производительность ускорителя будет повышаться в случае уменьшения длительности пучка электронов. В данном труде достижимая длительность пучка была ограничена геометрией установки. Но, в теории, длительность пучка может достигать и меньше 100 фс.

Также ученые отмечают, что качество пучка можно в дальнейшем улучшить путем уменьшения высоты слоев и увеличения их числа. Однако этот метод не лишен проблем, в частности повышение сложности производства устройства.

Данный труд является начальным этапом более обширного и детального изучения миниатюрной версии линейного ускорителя. Несмотря на то, что испытанная версия уже показывает отличные результаты, которые можно справедливо назвать рекордными, работы еще много.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Источник: habr.com