Poznati princip „više je moćnije“ odavno je uspostavljen u mnogim sektorima društva, uključujući nauku i tehnologiju. Međutim, u modernim stvarnostima sve je češća praktična primjena izreke „mali, ali moćni“. To se manifestuje kako u kompjuterima, koji su ranije zauzimali cijelu prostoriju, a sada staju na dlan djeteta, tako i u akceleratorima nabijenih čestica. Da, sjećate se Velikog hadronskog sudarača (LHC), čije su impresivne dimenzije (26 m dužine) doslovno naznačene u njegovom nazivu? Dakle, ovo je već prošlost prema naučnicima iz DESY-a, koji su razvili minijaturnu verziju akceleratora, koja po performansama nije inferiorna u odnosu na svog prethodnika u punoj veličini. Štaviše, mini akcelerator je čak postavio novi svjetski rekord među teraherc akceleratorima, udvostručujući energiju ugrađenih elektrona. Kako je nastao minijaturni akcelerator, koji su osnovni principi njegovog rada i šta su pokazali praktični eksperimenti? Izvještaj istraživačke grupe će nam pomoći da saznamo o tome. Idi.
Osnova istraživanja
Prema Dongfangu Zhangu i njegovim kolegama iz DESY (njemački elektronski sinhrotron), koji su razvili mini-akcelerator, ultrabrzi izvori elektrona igraju nevjerovatno važnu ulogu u životu modernog društva. Mnogi od njih se pojavljuju u medicini, razvoju elektronike i naučnim istraživanjima. Najveći problem sa trenutnim linearnim akceleratorima koji koriste radiofrekventne oscilatore je njihova visoka cijena, složena infrastruktura i impresivna potrošnja energije. A takvi nedostaci uvelike ograničavaju dostupnost ovakvih tehnologija širem krugu korisnika.
Ovi očigledni problemi su veliki poticaj za razvoj uređaja čija veličina i potrošnja energije neće izazvati užas.
Među relativnim novitetima u ovoj industriji su teraherc akceleratori, koji imaju niz "prednosti":
- Očekuje se da će kratki talasi i kratki impulsi terahercnog zračenja značajno povećati prag slom*, uzrokovano poljem, koje će povećati gradijente ubrzanja;
Električni kvar* - naglo povećanje jačine struje kada se primeni napon iznad kritičnog.
- prisustvo efikasnih metoda za generisanje teraherc zračenja visokog polja omogućava unutrašnju sinhronizaciju između elektrona i ekscitacionih polja;
- Za izradu takvih uređaja mogu se koristiti klasične metode, ali će se njihova cijena, vrijeme proizvodnje i veličina znatno smanjiti.
Naučnici vjeruju da je njihov teraherc akcelerator na milimetarskoj skali kompromis između konvencionalnih akceleratora koji su trenutno dostupni i mikro akceleratora koji se razvijaju, ali imaju mnoge nedostatke zbog svojih vrlo malih dimenzija.
Istraživači ne poriču da je tehnologija ubrzanja teraherca bila u razvoju već neko vrijeme. Međutim, prema njihovom mišljenju, još uvijek ima mnogo aspekata u ovoj oblasti koji nisu proučeni, testirani ili implementirani.
U svom radu, koji danas razmatramo, naučnici demonstriraju mogućnosti STEAM-a (segmentirani teraherc akcelerator i manipulator elektrona) - segmentirani teraherc akcelerator i manipulator elektrona. STEAM omogućava smanjenje dužine snopa elektrona na trajanje sub-pikosekunde, čime se obezbjeđuje femtosekundna kontrola nad fazom ubrzanja.
Bilo je moguće postići polje ubrzanja od 200 MV/m (MV - megavolt), što dovodi do rekordnog terahercnog ubrzanja od > 70 keV (kiloelektronvolt) iz ugrađenog snopa elektrona sa energijom od 55 keV. Na ovaj način su dobijeni ubrzani elektroni do 125 keV.
Struktura uređaja i implementacija
Slika br. 1: dijagram uređaja koji se proučava.
Slika br. 1-2: a - dijagram razvijene 5-slojne segmentirane strukture, b - odnos izračunatog ubrzanja i smjera širenja elektrona.
Elektronski snopovi (55 keV) se generišu iz elektronski top* i uvode se u teraherc STEAM-buncher (beam kompresor), nakon čega prelaze u STEAM-linac (linearni akcelerator*).
elektronski pištolj* — uređaj za generiranje snopa elektrona potrebne konfiguracije i energije.
Linearni akcelerator* - akcelerator u kojem nabijene čestice prolaze kroz strukturu samo jednom, što razlikuje linearni akcelerator od cikličnog (na primjer, LHC).
Oba STEAM uređaja primaju teraherc impulse od jednog bliskog infracrvenog (NIR) lasera, koji također ispaljuje fotokatodu elektronskog pištolja, što rezultira unutrašnjom sinhronizacijom između elektrona i ubrzavajućih polja. Ultraljubičasti impulsi za fotoemisiju na fotokatodi se generišu kroz dva uzastopna stupnja GVG* osnovna talasna dužina bliske infracrvene svetlosti. Ovaj proces pretvara laserski impuls od 1020 nm prvo u 510 nm, a zatim u 255 nm.
GVG* (generacija optičkog drugog harmonika) je proces kombinovanja fotona iste frekvencije tokom interakcije sa nelinearnim materijalom, što dovodi do stvaranja novih fotona sa dvostruko većom energijom i frekvencijom, kao i polovinom talasne dužine.
Ostatak NIR laserskog snopa je podijeljen na 4 zraka, koji se koriste za generiranje četiri jednociklična teraherc impulsa generiranjem razlike frekvencije unutar impulsa.
Dva teraherc impulsa se zatim isporučuju svakom STEAM uređaju kroz simetrične strukture rogova koje usmjeravaju terahercnu energiju u područje interakcije preko smjera širenja elektrona.
Kada elektroni uđu u svaki STEAM uređaj, oni su izloženi električnim i magnetskim komponentama Lorentzove snage*.
Lorentzova sila* - sila kojom elektromagnetno polje djeluje na nabijenu česticu.
U ovom slučaju, električno polje je odgovorno za ubrzanje i usporavanje, a magnetsko polje uzrokuje bočne otklone.
Slika #2
Kao što vidimo na slikama 2a и 2b, Unutar svakog STEAM uređaja, teraherc snopovi su poprečno podijeljeni tankim metalnim limovima u nekoliko slojeva različite debljine, od kojih svaki djeluje kao valovod, prenoseći dio ukupne energije u područje interakcije. U svakom sloju postoje i dielektrične ploče za koordinaciju vremena dolaska teraherca talasni front* sa prednjom stranom elektrona.
Wavefront* - površina do koje je talas stigao.
Oba STEAM uređaja rade u električnom režimu, odnosno na način da nameću električno polje i potiskuju magnetno polje u centru područja interakcije.
U prvom uređaju, elektroni su vremenski podešeni da prođu prelazak nule* teraherc polje, gdje su vremenski gradijenti električnog polja maksimizirani, a prosječno polje minimizirano.
prelazak nule* - tačka u kojoj nema napetosti.
Ova konfiguracija uzrokuje ubrzanje repa snopa elektrona i usporavanje njegove glave, što rezultira balističkim uzdužnim fokusiranjem (2a и 2c).
U drugom uređaju, sinhronizacija elektronskog i teraherc zračenja je podešena tako da snop elektrona doživljava samo negativan ciklus teraherc električnog polja. Ova konfiguracija rezultira neto kontinuiranim ubrzanjem (2b и 2d).
NIR laser je kriogenski hlađen Yb:YLF sistem koji proizvodi optičke impulse dužine 1.2 ps i energije od 50 mJ na talasnoj dužini od 1020 nm i stopi ponavljanja od 10 Hz. A teraherc impulsi sa centralnom frekvencijom od 0.29 teraherca (period od 3.44 ps) generišu se metodom nagnutog fronta impulsa.
Za napajanje STEAM-bunchera (beam kompresora) korišteno je samo 2 x 50 nJ teraherc energije, a STEAM-linac (linearni akcelerator) zahtijevao je 2 x 15 mJ.
Prečnik ulaznih i izlaznih otvora na oba STEAM uređaja je 120 mikrona.
Beam kompresor je dizajniran sa tri sloja jednake visine (0 mm), koji su opremljeni pločama od topljenog silika (ϵr = 225) dužine 4.41 i 0.42 mm za kontrolu vremena. Jednake visine slojeva kompresora odražavaju činjenicu da nema ubrzanja (2c).
Ali u linearnom akceleratoru visine su već različite - 0.225, 0.225 i 0.250 mm (+ topljene kvarcne ploče 0.42 i 0.84 mm). Povećanje visine sloja objašnjava povećanje brzine elektrona tokom ubrzanja.
Naučnici napominju da je broj slojeva direktno odgovoran za funkcionalnost svakog od dva uređaja. Postizanje viših stopa ubrzanja, na primjer, zahtijevalo bi više slojeva i različite konfiguracije visine kako bi se optimizirala interakcija.
Rezultati praktičnih eksperimenata
Prvo, istraživači podsjećaju da je u tradicionalnim radiofrekventnim akceleratorima učinak vremenskog opsega ugrađenog elektronskog snopa na svojstva ubrzanog snopa posljedica promjene električnog polja do kojeg dolazi tokom interakcije različitih elektrona unutar zraka koji stiže. u različito vrijeme. Stoga se može očekivati da će polja sa većim gradijentima i snopovi dužeg trajanja dovesti do većeg širenja energije. Injektirani snopovi dugog trajanja također mogu dovesti do viših vrijednosti emisije*.
Emitanca* — fazni prostor koji zauzima ubrzani snop nabijenih čestica.
U slučaju terahercnog akceleratora, period pobudnog polja je približno 200 puta kraći. dakle, tenzija* podržano polje će biti 10 puta veće.
Jačina električnog polja* - indikator električnog polja, jednak omjeru sile primijenjene na stacionarno tačkasto naelektrisanje postavljeno u datoj tački polja i veličine ovog naboja.
Dakle, u teraherc akceleratoru, gradijenti polja koje doživljavaju elektroni mogu biti nekoliko redova veličine veći nego u konvencionalnom uređaju. Vremenska skala na kojoj je zakrivljenost polja uočljiva bit će znatno manja. Iz ovoga slijedi da će trajanje uvedenog elektronskog snopa imati izraženiji učinak.
Naučnici su odlučili da provere ove teorije u praksi. Da bi to učinili, uveli su snopove elektrona različitog trajanja, koji su kontrolirani kompresijom pomoću prvog STEAM uređaja (STEAM-buncher).
Slika #3
U slučaju kada kompresor nije bio priključen na izvor napajanja, snopovi elektrona (55 keV) sa nabojem od ∼1 fC (femtocoulomb) prošli su približno 300 mm od elektronskog topa do uređaja za linearni akcelerator (STEAM-linac). Ovi elektroni bi se mogli širiti pod utjecajem sila prostornog naboja do trajanja dužeg od 1000 fs (femtosekundi).
U ovom trajanju, elektronski snop je zauzimao oko 60% polutalasne dužine ubrzavajućeg polja sa frekvencijom od 1,7 ps, što je rezultiralo energetskim spektrom nakon ubrzanja sa vrhom od 115 keV i polovičnom širinom distribucije energije veći od 60 keV (3a).
Da bi se ovi rezultati uporedili sa očekivanim, simulirana je situacija širenja elektrona kroz linearni akcelerator kada su elektroni bili nesinhronizovani sa (tj., nesinhronizovani sa) optimalnim vremenom ubrizgavanja. Proračuni ove situacije pokazali su da povećanje energije elektrona jako ovisi o trenutku ubrizgavanja, sve do subpikosekundne vremenske skale (3b). To jest, uz optimalnu postavku, elektron će doživjeti puni poluciklus ubrzanja teraherc zračenja u svakom sloju (3c).
Ako elektroni stignu u različito vrijeme, doživljavaju manje ubrzanje u prvom sloju, zbog čega im treba duže da putuju kroz njega. Desinhronizacija se zatim povećava u sljedećim slojevima, uzrokujući neželjeno usporavanje (3d).
Da bi se minimizirao negativan efekat temporalne ekstenzije elektronskog snopa, prvi STEAM uređaj je radio u kompresijskom režimu. Trajanje elektronskog snopa na linacu optimizirano je na minimalno ~350 fs (polovina širine) podešavanjem teraherc energije dovedene u kompresor i prebacivanjem linaca u način šrafiranja (4b).
Slika #4
Minimalno trajanje snopa je postavljeno u skladu sa trajanjem UV impulsa fotokatode, koje je iznosilo ~600 fs. Važnu ulogu je imala i udaljenost između kompresora i trake, što je ograničavalo brzinu sile zadebljanja. Zajedno, ove mjere omogućavaju femtosekundnu preciznost u fazi ubrizgavanja faze ubrzanja.
Na slici 4a može se vidjeti da se energetski širenje komprimovanog elektronskog snopa nakon optimiziranog ubrzanja u linearnom akceleratoru smanjuje za ~4 puta u odnosu na nekomprimirani. Zbog ubrzanja, energetski spektar komprimovanog snopa se pomera prema višim energijama, za razliku od nekomprimovanog snopa. Vrh energetskog spektra nakon ubrzanja je oko 115 keV, a visokoenergetski rep dostiže oko 125 keV.
Ove brojke, prema skromnoj izjavi naučnika, novi su rekord ubrzanja (prije ubrzanja bilo je 70 keV) u rasponu teraherca.
Ali kako bi se smanjila disperzija energije (4a), mora se postići još kraći snop.
Slika #5
U slučaju nekompresovanog uvedenog snopa, parabolička zavisnost veličine snopa od struje otkriva poprečnu emitanciju u horizontalnom i vertikalnom pravcu: εx,n = 1.703 mm*mrad i εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresija je, zauzvrat, poboljšala poprečnu emitanciju za 6 puta na εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontalno) i εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikalno).
Vrijedi napomenuti da je stupanj smanjenja emitanse otprilike dvostruko veći od stupnja smanjenja trajanja snopa, što je mjera nelinearnosti dinamike interakcije s vremenom kada elektroni doživljavaju snažno fokusiranje i defokusiranje magnetnog polja tokom ubrzanja (5b и 5c).
Na slici 5b Može se vidjeti da elektroni uvedeni u optimalno vrijeme doživljavaju cijeli poluperiod ubrzanja električnog polja. Ali elektroni koji stignu prije ili nakon optimalnog vremena doživljavaju manje ubrzanje, pa čak i djelomično usporavanje. Takvi elektroni na kraju imaju manje energije, grubo govoreći.
Slična situacija se opaža kada se izloži magnetnom polju. Elektroni ubrizgani u optimalno vrijeme doživljavaju simetrične količine pozitivnih i negativnih magnetnih polja. Ako je do uvođenja elektrona došlo prije optimalnog vremena, tada je bilo više pozitivnih polja, a manje negativnih. Ako se elektroni uvedu kasnije od optimalnog vremena, bit će manje pozitivnih, a više negativnih (5c). A takva odstupanja dovode do činjenice da elektron može odstupiti lijevo, desno, gore ili dolje, ovisno o njegovom položaju u odnosu na os, što dovodi do povećanja poprečnog momenta koji odgovara fokusiranju ili defokusiranju zraka.
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate и za njega.
Epilog
Ukratko, performanse akceleratora će se povećati ako se smanji trajanje elektronskog snopa. U ovom radu, dostižno trajanje snopa bilo je ograničeno geometrijom instalacije. Ali, u teoriji, trajanje zraka može doseći manje od 100 fs.
Naučnici također primjećuju da se kvalitet zraka može dodatno poboljšati smanjenjem visine slojeva i povećanjem njihovog broja. Međutim, ova metoda nije bez problema, posebno povećavajući složenost proizvodnje uređaja.
Ovaj rad je početna faza opsežnije i detaljnije studije minijaturne verzije linearnog akceleratora. Unatoč činjenici da testirana verzija već pokazuje odlične rezultate, što se s pravom može nazvati rekordnim, ima još puno posla.
Hvala vam na pažnji, budite radoznali i ugodnu sedmicu svima! 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivijeg sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih servera, koji smo mi osmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com