Ang pamilyar nga prinsipyo sa "mas labaw nga gamhanan" dugay na nga natukod sa daghang mga sektor sa katilingban, lakip ang siyensya ug teknolohiya. Apan, sa modernong mga katinuoran, ang praktikal nga pagpatuman sa panultihon nga "gamay, apan gamhanan" nahimong mas komon. Kini gipakita sa duha sa mga kompyuter, nga kaniadto mikuha sa usa ka tibuok nga lawak, apan karon mohaum sa palad sa usa ka bata, ug sa mga accelerators nga gikargahan sa particle. Oo, hinumdomi ang Large Hadron Collider (LHC), kansang talagsaong mga sukod (26 m ang gitas-on) literal nga gipakita sa ngalan niini? Mao nga, kini usa na ka butang sa nangagi sumala sa mga siyentipiko gikan sa DESY, nga nagpalambo sa usa ka gamay nga bersyon sa accelerator, nga dili ubos sa pasundayag sa tibuuk nga gidak-on nga gisundan niini. Dugang pa, ang mini accelerator nagbutang pa gani ug bag-ong world record taliwala sa mga terahertz accelerators, nga nagdoble sa kusog sa mga naka-embed nga electron. Sa unsang paagi naugmad ang miniature accelerator, unsa ang pangunang mga prinsipyo sa operasyon niini, ug unsay gipakita sa praktikal nga mga eksperimento? Ang taho sa grupo sa panukiduki makatabang kanato nga mahibal-an ang bahin niini. Lakaw.
Basihan sa panukiduki
Sumala kang Dongfang Zhang ug sa iyang mga kauban sa DESY (German Electron Synchrotron), nga nagpalambo sa mini-accelerator, ang ultrafast nga mga tinubdan sa electron adunay dako kaayong papel sa kinabuhi sa modernong katilingban. Daghan niini makita sa medisina, pagpalambo sa elektroniko ug siyentipikong panukiduki. Ang pinakadako nga problema sa kasamtangan nga linear accelerators nga naggamit sa RF oscillators mao ang ilang taas nga gasto, komplikado nga imprastraktura, ug impresibo nga konsumo sa kuryente. Ug ang ingon nga mga kakulangan labi nga naglimite sa pagkaanaa sa ingon nga mga teknolohiya sa usa ka labi ka daghan nga mga tiggamit.
Kining klaro nga mga problema usa ka dako nga insentibo sa pagpalambo sa mga himan kansang gidak-on ug konsumo sa kuryente dili makapahinabog kalisang.
Lakip sa mga relatibong kabag-ohan sa kini nga industriya mao ang terahertz accelerators, nga adunay daghang mga "kaayohan":
- Gilauman nga ang mugbo nga mga balud ug mugbo nga mga pulso sa terahertz radiation makadugang sa threshold pagkaguba*, tungod sa natad, nga makadugang sa mga gradient sa pagpatulin;
Pagkaguba sa kuryente* - usa ka mahait nga pagtaas sa kasamtangan nga kusog kung ang usa ka boltahe nga labaw sa kritikal nga gigamit.
- ang presensya sa epektibo nga mga pamaagi alang sa pagmugna sa high-field terahertz radiation nagtugot sa internal nga pag-synchronize tali sa mga electron ug excitation field;
- Ang mga klasikal nga pamaagi mahimong magamit sa paghimo sa ingon nga mga aparato, apan ang ilang gasto, oras sa produksiyon ug gidak-on makunhuran pag-ayo.
Ang mga siyentista nagtuo nga ang ilang millimeter-scale nga terahertz accelerator usa ka pagkompromiso tali sa naandan nga mga accelerators nga anaa karon ug mga micro-accelerators nga gipalambo, apan adunay daghang mga disbentaha tungod sa ilang gamay kaayo nga mga dimensyon.
Dili ikalimod sa mga tigdukiduki nga ang teknolohiya sa pagpadali sa terahertz dugay nang naugmad. Bisan pa, sa ilang opinyon, adunay daghang mga aspeto sa kini nga lugar nga wala pa gitun-an, gisulayan o gipatuman.
Sa ilang trabaho, nga atong gikonsiderar karon, gipakita sa mga siyentista ang mga kapabilidad sa STEAM (gibahin nga terahertz electron accelerator ug manipulator) - usa ka segment nga terahertz electron accelerator ug manipulator. Ang STEAM nagpaposible sa pagpakunhod sa gitas-on sa electron beam ngadto sa sub-picosecond nga gidugayon, sa ingon naghatag ug femtosecond nga kontrol sa acceleration phase.
Posible nga makab-ot ang usa ka acceleration field nga 200 MV/m (MV - megavolt), nga mosangpot sa usa ka record terahertz acceleration nga> 70 keV (kiloelectronvolt) gikan sa embedded electron beam nga adunay kusog nga 55 keV. Niining paagiha, nakuha ang gipadali nga mga electron hangtod sa 125 keV.
Istruktura ug pagpatuman sa device
Hulagway No. 1: diagram sa device nga gitun-an.
Image No. 1-2: a - diagram sa naugmad nga 5-layer segmented structure, b - ratio sa kalkulado nga pagpatulin ug direksyon sa pagpalapad sa elektron.
Ang mga electron beam (55 keV) namugna gikan sa electron gun* ug gipaila-ila ngadto sa terahertz STEAM-buncher (beam compressor), human niana sila moagi sa STEAM-linac (linear accelerator*).
Electron gun* - usa ka himan alang sa pagmugna og usa ka sinag sa mga electron sa gikinahanglan nga configuration ug enerhiya.
Linear accelerator* - usa ka accelerator diin ang gikarga nga mga partikulo moagi sa istruktura kausa ra, nga nagpalahi sa usa ka linear accelerator gikan sa usa ka cyclic (pananglitan, ang LHC).
Ang duha ka STEAM device nakadawat og terahertz pulses gikan sa usa ka near-infrared (NIR) laser, nga nagpabuto usab sa photocathode sa electron gun, nga miresulta sa internal nga pag-synchronize tali sa mga electron ug accelerating field. Ultraviolet pulses alang sa photoemission sa photocathode namugna pinaagi sa duha ka sunod-sunod nga ang-ang GVG* sukaranan nga wavelength sa duol-infrared nga kahayag. Kini nga proseso nag-convert sa usa ka 1020 nm laser pulse una sa 510 nm ug dayon sa 255 nm.
GVG* (optical second harmonic generation) mao ang proseso sa paghiusa sa mga photon nga parehas nga frequency sa panahon sa interaksyon sa usa ka nonlinear nga materyal, nga mosangpot sa pagporma sa bag-ong mga photon nga doble ang enerhiya ug frequency, ingon man ang katunga sa wavelength.
Ang nahibilin sa NIR laser beam gibahin ngadto sa 4 nga mga sagbayan, nga gigamit sa pagmugna og upat ka single-cycle terahertz pulses pinaagi sa pagmugna sa intra-pulse frequency kalainan.
Ang duha ka terahertz nga mga pulso ihatod dayon ngadto sa matag STEAM device pinaagi sa simetriko nga mga istruktura sa sungay nga nagdirekta sa terahertz nga enerhiya ngadto sa interaksyon nga rehiyon tabok sa direksyon sa pagpalapad sa elektron.
Sa diha nga ang mga electron mosulod sa matag STEAM device, sila naladlad sa elektrikal ug magnetic nga mga sangkap Lorentz pwersa*.
Lorentz force* - ang puwersa diin ang electromagnetic field naglihok sa usa ka gikarga nga partikulo.
Sa kini nga kaso, ang electric field maoy responsable sa pagpatulin ug pagkunhod, ug ang magnetic field maoy hinungdan sa mga lateral deflection.
Hulagway #2
Sama sa atong makita sa mga hulagway 2a ΠΈ 2b, Sulod sa matag STEAM device, ang terahertz beams gibahin sa transversely pinaagi sa nipis nga metal sheets ngadto sa pipila ka mga layer nga lainlaig gibag-on, ang matag usa niini naglihok isip waveguide, nagbalhin sa bahin sa kinatibuk-ang enerhiya ngadto sa interaksyon nga rehiyon. Adunay usab mga dielectric nga mga plato sa matag layer aron ma-coordinate ang oras sa pag-abot sa terahertz wave atubangan* uban sa atubangan sa mga electron.
Wavefront* - ang nawong diin naabot ang balud.
Ang duha ka STEAM device naglihok sa electrical mode, sa ato pa, sa paagi nga magpahamtang ug electric field ug pugngan ang magnetic field sa sentro sa interaction area.
Sa una nga aparato, ang mga electron gitakda nga moagi zero crossing* terahertz field, diin ang time gradients sa electric field gi-maximize ug ang average field gipakunhod.
Zero crossing* - usa ka punto diin walay tensyon.
Kini nga configuration hinungdan nga ang ikog sa electron beam mopaspas ug ang ulo niini mohinay, nga moresulta sa ballistic longitudinal focus (2a ΠΈ 2c).
Sa ikaduhang device, ang pag-synchronize sa electron ug terahertz radiation gitakda aron ang electron beam makasinati lamang ug negatibong cycle sa terahertz electric field. Kini nga configuration moresulta sa usa ka net nga padayon nga pagpatulin (2b ΠΈ 2d).
Ang NIR laser usa ka cryogenically cooled Yb: YLF system nga nagpatunghag optical pulses sa 1.2 ps nga gidugayon ug 50 mJ energy sa wavelength nga 1020 nm ug repetition rate nga 10 Hz. Ug ang mga pulso sa terahertz nga adunay sentral nga frequency nga 0.29 terahertz (panahon nga 3.44 ps) gihimo pinaagi sa hilig nga pamaagi sa atubangan sa pulso.
Sa pagpaandar sa STEAM-buncher (beam compressor) 2 x 50 nJ lang sa terahertz nga enerhiya ang gigamit, ug ang STEAM-linac (linear accelerator) nagkinahanglan ug 2 x 15 mJ.
Ang diyametro sa mga buho sa inlet ug outlet sa duha ka STEAM device kay 120 microns.
Ang beam compressor gidisenyo nga adunay tulo ka mga layer nga managsama ang gitas-on (0 mm), nga gisangkapan sa fused silica plates (Ο΅r = 225) nga adunay gitas-on nga 4.41 ug 0.42 mm aron makontrol ang oras. Ang parehas nga gitas-on sa mga layer sa compressor nagpakita sa kamatuoran nga walaβy pagpatulin (2c).
Apan sa linear accelerator ang mga gitas-on lahi na - 0.225, 0.225 ug 0.250 mm (+ fused quartz plates 0.42 ug 0.84 mm). Ang pagtaas sa gitas-on sa layer nagpatin-aw sa pagtaas sa katulin sa mga electron sa panahon sa pagpatulin.
Namatikdan sa mga siyentipiko nga ang gidaghanon sa mga lut-od direkta nga responsable sa pag-andar sa matag usa sa duha nga mga aparato. Ang pagkab-ot sa mas taas nga mga rate sa pagpatulin, pananglitan, magkinahanglan og dugang nga mga lut-od ug lain-laing mga pagsumpo sa gitas-on aron ma-optimize ang interaksyon.
Mga resulta sa praktikal nga mga eksperimento
Una, gipahinumdoman sa mga tigdukiduki nga sa tradisyonal nga mga radio frequency accelerators, ang epekto sa temporal nga gidak-on sa embedded electron beam sa mga kabtangan sa accelerated beam tungod sa pagbag-o sa electric field nga nasinati sa panahon sa interaksyon sa lain-laing mga electron sulod sa beam nga moabot. sa lain-laing mga panahon. Sa ingon, mapaabut nga ang mga uma nga adunay mas taas nga mga gradients ug mga sagbayan nga adunay mas taas nga gidugayon magdala sa usa ka mas dako nga pagkaylap sa enerhiya. Ang gi-inject nga mga sagbayan sa taas nga gidugayon mahimo usab nga mosangpot sa mas taas nga mga kantidad mga emittances*.
Emittance* - phase luna nga giokupar sa usa ka accelerated sagbayan sa charged partikulo.
Sa kaso sa usa ka terahertz accelerator, ang panahon sa natad sa pagpukaw gibana-bana nga 200 ka beses nga mas mubo. Busa, tensyon* ang gisuportahan nga uma mahimong 10 ka pilo nga mas taas.
Kusog sa natad sa kuryente * - usa ka timailhan sa electric field, nga katumbas sa ratio sa puwersa nga gigamit sa usa ka stationary point charge nga gibutang sa usa ka punto sa field ngadto sa magnitude niini nga charge.
Busa, sa usa ka terahertz accelerator, ang field gradients nga nasinati sa mga electron mahimong daghang mga order sa magnitude nga mas taas kaysa sa usa ka conventional device. Ang sukod sa oras diin makita ang curvature sa uma mahimong labi ka gamay. Kini nagsunod gikan niini nga ang gidugayon sa gipaila-ila nga electron beam adunay mas klaro nga epekto.
Ang mga siyentipiko nakahukom nga sulayan kini nga mga teorya sa praktis. Aron mahimo kini, gipaila nila ang mga electron beam nga lainlain ang gidugayon, nga gikontrol sa compression gamit ang una nga STEAM device (STEAM-buncher).
Hulagway #3
Sa kaso diin ang compressor wala konektado sa usa ka tinubdan sa kuryente, ang mga sagbayan sa mga electron (55 keV) nga adunay bayad nga βΌ1 fC (femtocoulomb) miagi sa gibana-bana nga 300 mm gikan sa electron gun ngadto sa linear accelerator device (STEAM-linac). Kini nga mga electron mahimong molapad ubos sa impluwensya sa space charge pwersa hangtod sa gidugayon nga labaw sa 1000 fs (femtoseconds).
Niini nga gidugayon, ang electron beam nag-okupar sa mga 60% sa tunga sa wavelength sa accelerating field nga adunay frequency nga 1,7 ps, nga miresulta sa usa ka post-acceleration energy spectrum nga adunay peak sa 115 keV ug tunga sa gilapdon sa pag-apod-apod sa enerhiya. labaw pa sa 60 keV (3a).
Aron itandi kini nga mga resulta sa mga gilauman, ang sitwasyon sa pagpalapad sa elektron pinaagi sa usa ka linear accelerator gi-simulate kung ang mga electron wala'y dungan sa (ie, wala'y dungan sa) ang kamalaumon nga oras sa pag-injection. Ang mga kalkulasyon niini nga sitwasyon nagpakita nga ang pagtaas sa enerhiya sa elektron nagdepende kaayo sa panahon sa pag-injection, ngadto sa subpicosecond time scale (3b). Sa ato pa, uban sa usa ka kamalaumon nga setting, ang electron makasinati sa usa ka bug-os nga katunga nga siklo sa terahertz radiation acceleration sa matag layer (3c).
Kung ang mga electron moabut sa lain-laing mga panahon, sila makasinati og gamay nga acceleration sa unang layer, nga naghimo kanila nga mas dugay sa pagbiyahe pinaagi niini. Ang desynchronization unya nagdugang sa mosunod nga mga layer, hinungdan sa dili gusto nga paghinay (3d).
Aron mamenosan ang negatibong epekto sa temporal nga extension sa electron beam, ang unang STEAM device naglihok sa compression mode. Ang gidugayon sa electron beam sa linac na-optimize sa minimum nga ~350 fs (tunga sa gilapdon) pinaagi sa pag-tune sa terahertz nga enerhiya nga gihatag sa compressor ug pagbalhin sa linac ngadto sa hatch mode (4b).
Hulagway #4
Ang minimum nga gidugayon sa beam gitakda sumala sa gidugayon sa photocathode UV pulse, nga ~ 600 fs. Ang gilay-on tali sa compressor ug sa strip usab adunay hinungdanon nga papel, nga naglimite sa katulin sa kusog nga pagpalapot. Mag-uban, kini nga mga lakang makahimo sa femtosecond nga katukma sa yugto sa pag-injection sa acceleration phase.
Sa hulagway 4a makita nga ang kusog nga pagkaylap sa compressed electron beam human sa optimized acceleration sa usa ka linear accelerator mikunhod sa ~ 4 nga mga panahon kon itandi sa uncompressed sa usa ka. Tungod sa acceleration, ang energy spectrum sa compressed beam gibalhin ngadto sa mas taas nga kusog, sukwahi sa uncompressed beam. Ang kinapungkayan sa spectrum sa enerhiya human sa pagpatulin maoy mga 115 keV, ug ang taas nga kusog nga ikog moabot sa mga 125 keV.
Kini nga mga numero, sumala sa kasarangan nga pahayag sa mga siyentipiko, usa ka bag-ong rekord sa pagpatulin (sa wala pa ang pagpatulin kini 70 keV) sa sakup sa terahertz.
Apan aron makunhuran ang pagkatibulaag sa enerhiya (4a), usa ka mas mubo nga sagbayan kinahanglan nga makab-ot.
Hulagway #5
Sa kaso sa usa ka wala ma-compress nga gipaila nga sagbayan, ang parabolic nga pagsalig sa gidak-on sa sagbayan sa kasamtangan nagpadayag sa transverse emittance sa pinahigda ug bertikal nga direksyon: Ξ΅x,n = 1.703 mm*mrad ug Ξ΅y,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Ang compression, sa baylo, nagpauswag sa transverse emittance sa 6 ka beses ngadto sa Ξ΅x,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) ug Ξ΅y,n = 0,246 mm*mrad (vertical).
Angay nga matikdan nga ang ang-ang sa pagkunhod sa emittance gibana-bana nga doble sa kadako sa lebel sa pagkunhod sa gidugayon sa sinag, nga usa ka sukod sa nonlinearity sa dynamics sa interaksiyon sa panahon kung ang mga electron makasinati og kusog nga pag-focus ug pag-defocus sa magnetic field sa panahon sa pagpatulin (5b ΠΈ 5c).
Sa hulagway 5b Kini makita nga electron gipaila-ila sa kamalaumon nga panahon makasinati sa tibuok katunga-nga-siklo sa electric kapatagan acceleration. Apan ang mga electron nga moabut sa wala pa o pagkahuman sa labing maayo nga oras makasinati og gamay nga pagpatulin ug bisan ang partial deceleration. Ang ingon nga mga electron matapos nga adunay gamay nga enerhiya, sa halos pagsulti.
Ang usa ka susama nga kahimtang naobserbahan kung nahayag sa usa ka magnetic field. Ang mga electron nga gi-inject sa labing maayo nga oras makasinati ug simetriko nga kantidad sa positibo ug negatibo nga magnetic field. Kung ang pagpaila sa mga electron nahitabo sa wala pa ang kamalaumon nga oras, nan adunay daghang positibo nga mga uma ug gamay nga negatibo. Kung ang mga electron gipaila sa ulahi kaysa sa kamalaumon nga oras, adunay gamay nga positibo ug mas negatibo (5c). Ug ang ingon nga mga pagtipas modala ngadto sa kamatuoran nga ang electron mahimong motipas sa wala, tuo, pataas o paubos, depende sa posisyon niini nga may kalabotan sa axis, nga mosangpot sa pagtaas sa transverse momentum nga katumbas sa pag-focus o defocusing sa beam.
Alang sa usa ka mas detalyado nga kaila sa mga nuances sa pagtuon, girekomenda ko ang pagtan-aw ΠΈ kaniya
Epilogo
Sa katingbanan, ang pasundayag sa accelerator modako kung ang gidugayon sa electron beam maminusan. Niini nga trabaho, ang makab-ot nga gidugayon sa beam limitado sa geometry sa pag-instalar. Apan, sa teorya, ang gidugayon sa beam mahimong moabot sa ubos sa 100 fs.
Namatikdan usab sa mga siyentipiko nga ang kalidad sa sagbayan mahimong mapauswag pa pinaagi sa pagkunhod sa gitas-on sa mga lut-od ug pagdugang sa ilang gidaghanon. Bisan pa, kini nga pamaagi walaβy mga problema, labi na ang pagdugang sa pagkakomplikado sa paghimo sa aparato.
Kini nga trabaho mao ang inisyal nga yugto sa usa ka mas lapad ug detalyado nga pagtuon sa usa ka gamay nga bersyon sa usa ka linear accelerator. Bisan pa sa kamatuoran nga ang nasulayan nga bersyon nagpakita na sa maayo kaayo nga mga resulta, nga mahimong tawgon nga record-breaking, adunay daghan pa nga trabaho nga buhaton.
Salamat sa imong pagtagad, pabiling kuryoso ug maayong semana sa tanan! π
Salamat sa pagpabilin kanamo. Ganahan ka ba sa among mga artikulo? Gusto nga makakita og mas makapaikag nga sulod? Suportahi kami pinaagi sa pag-order o pagrekomenda sa mga higala, 30% nga diskwento alang sa mga tiggamit sa Habr sa usa ka talagsaon nga analogue sa mga entry-level server, nga giimbento namo alang kanimo: (anaa sa RAID1 ug RAID10, hangtod sa 24 ka mga core ug hangtod sa 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 ka beses nga mas barato? Dinhi lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - gikan sa $99! Basaha ang mahitungod sa
Source: www.habr.com