El principi familiar de "més és més poderós" s'ha establert des de fa temps en molts sectors de la societat, incloses la ciència i la tecnologia. Tanmateix, a les realitats modernes, la implementació pràctica de la dita "petit, però poderós" és cada cop més habitual. Això es manifesta tant en els ordinadors, que abans ocupaven una habitació sencera, però ara caben al palmell d'un nen, com en els acceleradors de partícules carregades. Sí, recordeu el Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), les impressionants dimensions (26 m de longitud) del qual s'indiquen literalment en el seu nom? Per tant, això ja és cosa del passat segons els científics de DESY, que han desenvolupat una versió en miniatura de l'accelerador, que no és inferior en rendiment al seu predecessor de mida completa. A més, el mini accelerador fins i tot va establir un nou rècord mundial entre els acceleradors de terahertz, duplicant l'energia dels electrons incrustats. Com es va desenvolupar l'accelerador en miniatura, quins són els principis bàsics del seu funcionament i què han demostrat els experiments pràctics? L'informe del grup de recerca ens ajudarà a esbrinar-ho. Vés.
Base de recerca
Segons Dongfang Zhang i els seus col·legues de DESY (German Electron Synchrotron), que van desenvolupar el mini-accelerador, les fonts d'electrons ultraràpides tenen un paper increïblement important en la vida de la societat moderna. Molts d'ells apareixen en medicina, desenvolupament electrònic i investigació científica. El problema més gran dels acceleradors lineals actuals que utilitzen oscil·ladors de radiofreqüència és el seu alt cost, la complexa infraestructura i el consum d'energia impressionant. I aquestes mancances limiten en gran mesura la disponibilitat d'aquestes tecnologies per a un ventall més ampli d'usuaris.
Aquests problemes evidents són un gran incentiu per desenvolupar dispositius la mida i el consum d'energia dels quals no causaran horror.
Entre les novetats relatives d'aquesta indústria es troben els acceleradors de terahertz, que tenen una sèrie de "avantatges":
- S'espera que les ones curtes i els polsos curts de radiació terahertz augmentaran significativament el llindar desglossament*, provocada pel camp, que augmentarà els gradients d'acceleració;
Avaria elèctrica* - un fort augment de la intensitat del corrent quan s'aplica una tensió per sobre del crític.
- la presència de mètodes efectius per generar radiació terahertz d'alt camp permet la sincronització interna entre electrons i camps d'excitació;
- Es poden utilitzar mètodes clàssics per crear aquests dispositius, però el seu cost, temps de producció i mida es reduiran molt.
Els científics creuen que el seu accelerador de terahertzs a escala mil·limètrica és un compromís entre els acceleradors convencionals que estan disponibles actualment i els microacceleradors que s'estan desenvolupant, però que tenen molts desavantatges a causa de les seves dimensions molt reduïdes.
Els investigadors no neguen que la tecnologia d'acceleració de terahertz està en desenvolupament des de fa temps. Tanmateix, segons la seva opinió, encara hi ha molts aspectes en aquest àmbit que no s'han estudiat, provat o implementat.
En el seu treball, que estem considerant avui, els científics demostren les capacitats de STEAM (Accelerador i manipulador d'electrons de terahertz segmentats) - un accelerador i manipulador d'electrons de terahertzs segmentats. STEAM permet reduir la longitud del feix d'electrons a una durada inferior a picosegulons, proporcionant així un control de femtosegons sobre la fase d'acceleració.
Va ser possible aconseguir un camp d'acceleració de 200 MV/m (MV - megavolt), que condueix a una acceleració rècord de terahertz > 70 keV (kiloelectronvolt) a partir del feix d'electrons incrustat amb una energia de 55 keV. D'aquesta manera, es van obtenir electrons accelerats de fins a 125 keV.
Estructura i implementació del dispositiu
Imatge núm. 1: esquema del dispositiu en estudi.
Imatge núm. 1-2: a - diagrama de l'estructura segmentada de 5 capes desenvolupada, b - relació de l'acceleració calculada i la direcció de propagació d'electrons.
Es generen feixos d'electrons (55 keV). canó d'electrons* i s'introdueixen al STEAM-buncher de terahertz (compressor de feix), després del qual passen al STEAM-linac (accelerador lineal*).
Canó d'electrons* — un dispositiu per generar un feix d'electrons de la configuració i l'energia requerides.
Accelerador lineal* - un accelerador en què les partícules carregades travessen l'estructura només una vegada, cosa que distingeix un accelerador lineal d'un de cíclic (per exemple, l'LHC).
Tots dos dispositius STEAM reben polsos de terahertzs d'un únic làser d'infraroig proper (NIR), que també dispara el fotocàtode del canó d'electrons, donant lloc a una sincronització interna entre electrons i camps acceleradors. Els polsos ultraviolats per a la fotoemissió al fotocàtode es generen a través de dues etapes successives GVG* longitud d'ona fonamental de la llum infraroja propera. Aquest procés converteix un pols làser de 1020 nm primer a 510 nm i després a 255 nm.
GVG* (generació de segon harmònic òptic) és el procés de combinació de fotons de la mateixa freqüència durant la interacció amb un material no lineal, que condueix a la formació de nous fotons amb el doble d'energia i freqüència, així com la meitat de la longitud d'ona.
La resta del feix làser NIR es divideix en 4 feixos, que s'utilitzen per generar quatre polsos de terahertz d'un sol cicle generant diferències de freqüència intra-pols.
Aleshores, els dos polsos de terahertz s'envien a cada dispositiu STEAM mitjançant estructures de banya simètriques que dirigeixen l'energia de terahertz a la regió d'interacció a través de la direcció de propagació d'electrons.
Quan els electrons entren a cada dispositiu STEAM, estan exposats a components elèctrics i magnètics forces de Lorentz*.
Força de Lorentz* - la força amb què el camp electromagnètic actua sobre una partícula carregada.
En aquest cas, el camp elèctric és responsable de l'acceleració i desacceleració, i el camp magnètic provoca desviacions laterals.
Imatge #2
Com veiem a les imatges 2a и 2b, Dins de cada dispositiu STEAM, els feixos de terahertz es divideixen transversalment per fines làmines metàl·liques en diverses capes de gruix variable, cadascuna de les quals actua com a guia d'ones, transferint part de l'energia total a la regió d'interacció. També hi ha plaques dielèctriques a cada capa per coordinar el temps d'arribada dels terahertz front d'ona* amb el front dels electrons.
Front d'ona* - la superfície a la qual ha arribat l'ona.
Tots dos dispositius STEAM funcionen en mode elèctric, és a dir, de manera que imposa un camp elèctric i suprimeix un camp magnètic al centre de la zona d'interacció.
En el primer dispositiu, els electrons tenen el temps de passar pas per zero* camp de terahertzs, on es maximitzen els gradients de temps del camp elèctric i es minimitza el camp mitjà.
Pas per zero* - un punt on no hi ha tensió.
Aquesta configuració fa que la cua del feix d'electrons s'acceleri i el seu cap es desacceleri, donant lloc a un enfocament longitudinal balístic (2a и 2 s).
En el segon dispositiu, la sincronització de la radiació d'electrons i terahertz s'estableix de manera que el feix d'electrons només experimenti un cicle negatiu del camp elèctric de terahertz. Aquesta configuració resulta en una acceleració neta contínua (2b и 2d).
El làser NIR és un sistema Yb:YLF refrigerat criogènicament que produeix polsos òptics d'1.2 ps de durada i 50 mJ d'energia a una longitud d'ona de 1020 nm i una velocitat de repetició de 10 Hz. I els polsos de terahertzs amb una freqüència central de 0.29 terahertzs (període de 3.44 ps) es generen pel mètode del front de pols inclinat.
Per alimentar el STEAM-buncher (compressor de feix) només es van utilitzar 2 x 50 nJ d'energia de terahertz, i el STEAM-linac (accelerador lineal) va requerir 2 x 15 mJ.
El diàmetre dels forats d'entrada i sortida dels dos dispositius STEAM és de 120 micres.
El compressor de feix està dissenyat amb tres capes d'igual alçada (0 mm), que estan equipades amb plaques de sílice fosa (ϵr = 225) de longitud 4.41 i 0.42 mm per controlar el temps. Les altures iguals de les capes del compressor reflecteixen el fet que no hi ha acceleració (2 s).
Però a l'accelerador lineal les altures ja són diferents: 0.225, 0.225 i 0.250 mm (+ plaques de quars fos de 0.42 i 0.84 mm). Un augment de l'alçada de la capa explica l'augment de la velocitat dels electrons durant l'acceleració.
Els científics assenyalen que el nombre de capes és directament responsable de la funcionalitat de cadascun dels dos dispositius. Aconseguir taxes d'acceleració més altes, per exemple, requeriria més capes i diferents configuracions d'alçada per optimitzar la interacció.
Resultats dels experiments pràctics
En primer lloc, els investigadors recorden que en els acceleradors de radiofreqüència tradicionals, l'efecte de l'extensió temporal del feix d'electrons incrustat sobre les propietats del feix accelerat es deu al canvi en el camp elèctric experimentat durant la interacció de diferents electrons dins del feix que arriba. en diferents moments. Així, es pot esperar que camps amb gradients més alts i feixos amb durades més llargues condueixin a una major dispersió d'energia. Els feixos injectats de llarga durada també poden conduir a valors més alts emissions*.
Emissió* — Espai de fases ocupat per un feix accelerat de partícules carregades.
En el cas d'un accelerador de terahertz, el període del camp d'excitació és aproximadament 200 vegades més curt. Per tant, tensió* el camp admès serà 10 vegades superior.
Intensitat del camp elèctric* - un indicador del camp elèctric, igual a la relació entre la força aplicada a una càrrega puntual estacionària col·locada en un punt determinat del camp i la magnitud d'aquesta càrrega.
Així, en un accelerador de terahertz, els gradients de camp experimentats pels electrons poden ser diversos ordres de magnitud superiors als d'un dispositiu convencional. L'escala de temps en què es nota la curvatura del camp serà significativament menor. D'això es dedueix que la durada del feix d'electrons introduït tindrà un efecte més pronunciat.
Els científics van decidir provar aquestes teories a la pràctica. Per fer-ho, van introduir feixos d'electrons de diferents durades, que eren controlats per compressió mitjançant el primer dispositiu STEAM (STEAM-buncher).
Imatge #3
En el cas en què el compressor no estava connectat a una font d'alimentació, feixos d'electrons (55 keV) amb una càrrega de ∼ 1 fC (femtocoulomb) van passar aproximadament 300 mm des del canó d'electrons al dispositiu accelerador lineal (STEAM-linac). Aquests electrons podrien expandir-se sota la influència de les forces de càrrega espacial fins a una durada de més de 1000 fs (femtosegons).
Amb aquesta durada, el feix d'electrons ocupava aproximadament el 60% de la mitja longitud d'ona del camp accelerador amb una freqüència d'1,7 ps, donant lloc a un espectre d'energia posterior a l'acceleració amb un pic a 115 keV i una mitja amplada de la distribució d'energia. superior a 60 keV (3a).
Per comparar aquests resultats amb els esperats, es va simular la situació de propagació d'electrons a través d'un accelerador lineal quan els electrons no estaven sincronitzats amb (és a dir, no sincronitzats amb) el temps d'injecció òptim. Els càlculs d'aquesta situació van mostrar que l'augment de l'energia dels electrons depèn molt del moment d'injecció, fins a una escala de temps subpicosegons (3b). És a dir, amb una configuració òptima, l'electró experimentarà un mig cicle complet d'acceleració de radiació terahertz a cada capa (3 s).
Si els electrons arriben en diferents moments, experimenten menys acceleració a la primera capa, la qual cosa fa que triguin més a viatjar per ella. Aleshores, la desincronització augmenta a les capes següents, provocant una desacceleració no desitjada (3d).
Per tal de minimitzar l'efecte negatiu de l'extensió temporal del feix d'electrons, el primer dispositiu STEAM va funcionar en mode de compressió. La durada del feix d'electrons al linac es va optimitzar a un mínim de ~ 350 fs (mitja amplada) ajustant l'energia de terahertz subministrada al compressor i canviant el linac al mode escotilla (4b).
Imatge #4
La durada mínima del feix es va establir d'acord amb la durada del pols UV del fotocàtode, que era de ~ 600 fs. La distància entre el compressor i la cinta també va tenir un paper important, que va limitar la velocitat de la força d'engrossiment. En conjunt, aquestes mesures permeten una precisió de femtosegons en la fase d'injecció de la fase d'acceleració.
A la imatge 4a es pot veure que la propagació d'energia del feix d'electrons comprimits després de l'acceleració optimitzada en un accelerador lineal disminueix ~ 4 vegades en comparació amb el no comprimit. A causa de l'acceleració, l'espectre d'energia del feix comprimit es desplaça cap a energies més altes, en contrast amb el feix no comprimit. El pic de l'espectre d'energia després de l'acceleració és d'uns 115 keV i la cua d'alta energia arriba a uns 125 keV.
Aquestes xifres, segons la modesta declaració dels científics, són un nou rècord d'acceleració (abans de l'acceleració era de 70 keV) en el rang de terahertz.
Però per tal de reduir la dispersió d'energia (4a), s'ha d'aconseguir un feix encara més curt.
Imatge #5
En el cas d'un feix introduït no comprimit, la dependència parabòlica de la mida del feix del corrent revela l'emitància transversal en les direccions horitzontal i vertical: εx,n = 1.703 mm*mrad i εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
La compressió, al seu torn, va millorar l'emitància transversal en 6 vegades fins a εx, n = 0,285, 0,246 mm * mrad (horitzontal) i εy, n = XNUMX, XNUMX mm * mrad (vertical).
Val la pena assenyalar que el grau de reducció de l'emitància és aproximadament el doble que el grau de reducció de la durada del feix, que és una mesura de la no linealitat de la dinàmica d'interacció amb el temps en què els electrons experimenten un fort enfocament i desenfocament del camp magnètic durant l'acceleració.5b и 5 s).
A la imatge 5b Es pot veure que els electrons introduïts en el moment òptim experimenten tot el mig cicle de l'acceleració del camp elèctric. Però els electrons que arriben abans o després del temps òptim experimenten menys acceleració i fins i tot una desacceleració parcial. Aquests electrons acaben amb menys energia, a grans trets.
Una situació similar s'observa quan s'exposa a un camp magnètic. Els electrons injectats en el moment òptim experimenten quantitats simètriques de camps magnètics positius i negatius. Si la introducció d'electrons es va produir abans del moment òptim, llavors hi havia més camps positius i menys negatius. Si els electrons s'introdueixen més tard del temps òptim, hi haurà menys positius i més negatius (5 s). I aquestes desviacions condueixen al fet que l'electró pot desviar-se cap a l'esquerra, la dreta, cap amunt o cap avall, depenent de la seva posició respecte a l'eix, la qual cosa comporta un augment de l'impuls transversal corresponent a l'enfocament o desenfocament del feix.
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar и A ell.
Epíleg
En resum, el rendiment de l'accelerador augmentarà si es redueix la durada del feix d'electrons. En aquest treball, la durada del feix assolible estava limitada per la geometria de la instal·lació. Però, en teoria, la durada del feix pot arribar a menys de 100 fs.
Els científics també assenyalen que la qualitat del feix es pot millorar encara més reduint l'alçada de les capes i augmentant-ne el nombre. No obstant això, aquest mètode no està exempt de problemes, en particular augmenta la complexitat de la fabricació del dispositiu.
Aquest treball és l'etapa inicial d'un estudi més extens i detallat d'una versió en miniatura d'un accelerador lineal. Malgrat que la versió provada ja està mostrant excel·lents resultats, que amb raó es poden anomenar rècords, encara queda molta feina per fer.
Gràcies per la vostra atenció, sigueu curiosos i que passeu una bona setmana a tots! 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, 30% de descompte per als usuaris d'Habr en un únic anàleg de servidors d'entrada, que hem inventat per a tu: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com