U principiu familiar di "più hè più putente" hè statu longu stabilitu in parechji settori di a società, cumpresa a scienza è a tecnulugia. In ogni casu, in a realità muderna, l'implementazione pratica di u dittu "picculu, ma putente" hè diventatu più è più cumuni. Questu hè manifestatu sia in l'urdinatore, chì prima occupava una stanza sana, ma avà si mette in a palma di u zitellu, sia in l'acceleratori di particelle carichi. Iè, ricordate u Large Hadron Collider (LHC), chì e so dimensioni impressiunanti (26 659 m in longu) sò literalmente indicati in u so nome? Dunque, questu hè digià una cosa di u passatu secondu i scientisti di DESY, chì anu sviluppatu una versione in miniatura di l'acceleratore, chì ùn hè micca inferjuri in rendiment à u so predecessore full-size. Inoltre, u mini acceleratore hà ancu stabilitu un novu record mundiale trà l'acceleratori di terahertz, radduppiendu l'energia di l'elettroni incrustati. Cumu hè statu sviluppatu l'acceleratore in miniatura, chì sò i principii basi di u so funziunamentu, è chì anu dimustratu esperimenti pratichi? U rapportu di u gruppu di ricerca ci aiuterà à sapè nantu à questu. Vai.
Basi di ricerca
Sicondu Dongfang Zhang è i so culleghi in DESY (German Electron Synchrotron), chì anu sviluppatu u mini-acceleratore, i fonti elettroni ultraveloci ghjucanu un rolu incredibilmente impurtante in a vita di a sucità muderna. Parechji di elli appariscenu in a medicina, u sviluppu di l'elettronica è a ricerca scientifica. U prublema più grande cù l'acceleratori lineari attuali chì utilizanu oscillatori di freccia radio hè u so costu altu, l'infrastruttura cumplessa è u cunsumu d'energia impressiunanti. E tali mancanze limitanu assai a dispunibilità di tali tecnulugii à una gamma più larga di utilizatori.
Questi prublemi evidenti sò un grande incitamentu per sviluppà i dispositi chì a so dimensione è u cunsumu d'energia ùn pruvucarà micca horrore.
Trà e novità relative in questa industria sò acceleratori di terahertz, chì anu una quantità di "benefizii":
- Hè previstu chì l'onda corta è i pulsati brevi di radiazione terahertz aumenteranu significativamente u sogliu avaria *, causatu da u campu, chì aumenterà gradienti di accelerazione;
Avaria elettrica * - un forte aumentu di a forza di corrente quandu una tensione sopra critica hè applicata.
- a prisenza di metudi efficaci per generà una radiazione terahertz d'altu campu permette a sincronizazione interna trà l'elettroni è i campi di eccitazione;
- I metudi classici ponu esse usatu per creà tali dispusitivi, ma u so costu, u tempu di produzzione è a dimensione seranu assai ridotti.
I scientisti crèdenu chì u so acceleratore di terahertz in scala millimetrica hè un cumprumissu trà l'acceleratori cunvinziunali chì sò oghji dispunibili è i micro-acceleratori chì sò sviluppati, ma anu parechji disadvantages per via di e so dimensioni assai chjuche.
I circadori ùn neganu micca chì a tecnulugia di accelerazione di terahertz hè stata in sviluppu per qualchì tempu. Tuttavia, in u so parè, ci sò sempre assai aspetti in questu spaziu chì ùn sò micca stati studiati, pruvati o implementati.
In u so travagliu, chì avemu cunsideratu oghje, i scientifichi dimustranu e capacità di STEAM (Acceleratore è manipulatore di elettroni in terahertz segmentati) - un acceleratore è manipulatore di elettroni segmentati in terahertz. STEAM permette di riduce a durata di u fasciu di l'elettroni à a durata di sub-picosecondu, furnisce cusì un cuntrollu di femtosecondu nantu à a fase di accelerazione.
Hè statu pussibule di ottene un campu di accelerazione di 200 MV/m (MV - megavolt), chì porta à una accelerazione record di terahertz di> 70 keV (kiloelectronvolt) da u fasciu di elettroni incrustati cù una energia di 55 keV. In questu modu, l'elettroni accelerati finu à 125 keV sò stati ottenuti.
Struttura di u dispusitivu è implementazione
Image N ° 1: diagramma di u dispusitivu in studiu.
Image No. 1-2: a - diagramma di a struttura segmentata di 5 strati sviluppata, b - rapportu di l'accelerazione calculata è a direzzione di a propagazione di l'elettroni.
I fasci di elettroni (55 keV) sò generati da cannone elettronico* è sò introduttu in u terahertz STEAM-buncher (compressore di fasciu), dopu chì passanu in u STEAM-linac (acceleratore lineare*).
cannone elettronico* - un dispositivu per generà un fasciu di elettroni di a cunfigurazione è l'energia necessaria.
acceleratore lineare* - un acceleratore in quale particeddi carichi passanu per a struttura solu una volta, chì distingue un acceleratore lineare da un ciclicu (per esempiu, u LHC).
I dui dispusitivi STEAM ricevenu impulsi di terahertz da un laser unicu infrarossu vicinu (NIR), chì spara ancu u fotocatodu di a pistola di l'elettroni, risultatu in una sincronizazione interna trà l'elettroni è i campi acceleranti. L'impulsi ultravioletti per a fotoemissione à u fotocatodu sò generati attraversu duie fasi successive GVG* longueur d'onde fondamentale de la lumière proche infrarouge. Stu prucessu converte un impulsu laser 1020 nm prima à 510 nm è dopu à 255 nm.
GVG* (generazione ottica seconda armonica) hè u prucessu di cunghjuntà fotoni di a listessa frequenza durante l'interazzione cù un materiale non lineale, chì porta à a furmazione di novi fotoni cù u doppiu di l'energia è a frequenza, è ancu a mità di a lunghezza d'onda.
U restu di u fasciu laser NIR hè divisu in 4 fasci, chì sò usati per generà quattru impulsi terahertz à ciclu unicu generendu differenze di frequenza intra-pulse.
I dui impulsi di terahertz sò poi mandati à ogni dispusitivu STEAM attraversu strutture di cornu simmetriche chì dirigenu l'energia di terahertz in a regione di interazzione attraversu a direzzione di a propagazione di l'elettroni.
Quandu l'elettroni entranu in ogni dispusitivu STEAM, sò esposti à cumpunenti elettrici è magnetichi forze di Lorentz*.
forza di Lorentz* - a forza cù quale u campu elettromagneticu agisce nantu à una particella carica.
In questu casu, u campu elettricu hè rispunsevule per l'accelerazione è a decelerazione, è u campu magneticu pruvucarà deflessioni laterali.
Image #2
Comu avemu vistu in l'imaghjini 2 и 2b, Dentru ogni dispusitivu STEAM, i fasci di terahertz sò divisi transversalmente da sottili fogli di metallu in parechji strati di variità di spessore, ognuna di quali agisce cum'è una guida d'onda, trasferendu una parte di l'energia tutale à a regione di interazzione. Ci sò ancu platti dielettrici in ogni strata per coordinà u tempu d'arrivu di u terahertz fronte d'onda* cù u fronte di l'elettroni.
fronte d'onda* - a superficia à quale l'onda hà righjuntu.
Tramindui i dispusitivi STEAM operanu in modu elettricu, vale à dì, in modu di applicà un campu elettricu è supprime un campu magneticu in u centru di l'area di interazzione.
In u primu dispusitivu, l'elettroni sò tempu per passà traversata zero* campu di terahertz, induve i gradienti di u tempu di u campu elettricu sò maximizati è u campu mediu hè minimizatu.
Zero crossing* - un puntu induve ùn ci hè tensione.
Questa cunfigurazione face chì a cuda di u fasciu elettronicu accelerà è a so testa à rallentà, risultatu in una focalizazione longitudinale balistica (2 и 2c).
In u sicondu dispusitivu, a sincronizazione di a radiazione di l'elettroni è di terahertz hè stabilita in modu chì u fasciu di l'elettroni sperimenta solu un ciculu negativu di u campu elettricu terahertz. Questa cunfigurazione si traduce in un'accelerazione continua neta (2b и 2d).
U laser NIR hè un sistema Yb:YLF raffreddatu criogenicamente chì produce impulsi ottici di durata di 1.2 ps è energia di 50 mJ à una lunghezza d'onda di 1020 nm è una frequenza di ripetizione di 10 Hz. E impulsi di terahertz cù una frequenza cintrali di 0.29 terahertz (periodu di 3.44 ps) sò generati da u metudu di fronte di impulsu inclinatu.
Per alimentà u STEAM-buncher (compressore di fasciu) solu 2 x 50 nJ di energia terahertz sò stati utilizati, è u STEAM-linac (acceleratore lineare) necessitava 2 x 15 mJ.
U diametru di i buchi di entrata è di uscita di i dui dispositi STEAM hè 120 microns.
U compressore di fasciu hè cuncepitu cù trè strati di uguale altezza (0 mm), chì sò dotati di platti di silice fusa (ϵr = 225) di lunghezza 4.41 è 0.42 mm per cuntrullà u timing. L'altezza uguale di i strati di u compressore riflette u fattu chì ùn ci hè micca accelerazione (2c).
Ma in l'acceleratore lineale l'altitudine sò digià diffirenti - 0.225, 0.225 è 0.250 mm (+ fused quartz plates 0.42 è 0.84 mm). Un aumentu di l'altezza di a capa spiega l'aumentu di a velocità di l'elettroni durante l'accelerazione.
Scentifichi nutari ca lu nùmeru di strati hè direttamente rispunsevuli di a funziunalità di ognunu di i dui dispusitivi. Per ottene tassi più elevati di accelerazione, per esempiu, averia bisognu di più strati è diverse cunfigurazioni d'altezza per ottimisà l'interazzione.
Risultati di esperimenti pratichi
Prima, i circadori ricordanu chì in l'acceleratori di frequenze radio tradiziunali, l'effettu di l'estensione temporale di u fasciu di elettroni incrustati nantu à e proprietà di u fasciu acceleratu hè dovutu à u cambiamentu in u campu elettricu sperimentatu durante l'interazzione di diversi elettroni in u fasciu chì arrivanu. in tempi diversi. Cusì, pò esse espertu chì i campi cù gradienti più alti è raghji cù durazioni più longu portanu à una diffusione di energia più grande. I fasci injected di longa durata pò ancu purtà à valori più altu emissioni *.
Emittanza * - spaziu di fasi occupatu da un fasciu acceleratu di particelle cariche.
In u casu di un acceleratore terahertz, u periodu di u campu di eccitazione hè circa 200 volte più cortu. Dunque, tensione* u campu supportatu serà 10 volte più altu.
Forza di u campu elettricu * - un indicatore di u campu elettricu, uguali à u rapportu di a forza applicata à una carica puntuale stazionaria posta in un puntu determinatu di u campu à a magnitudine di sta carica.
Cusì, in un acceleratore terahertz, i gradienti di campu sperimentati da l'elettroni ponu esse parechji ordini di grandezza più altu ch'è in un dispositivu convenzionale. A scala di u tempu nantu à quale a curvatura di u campu hè notevule serà significativamente più chjuca. Da questu hè chì a durata di u fasciu elettronicu introduttu avarà un effettu più pronunzianu.
I scientisti anu decisu di pruvà sti tiurìi in pratica. Per fà questu, anu introduttu fasci di elettroni di diverse durazioni, chì sò stati cuntrullati da cumpressione cù u primu dispositivu STEAM (STEAM-buncher).
Image #3
In u casu induve u compressore ùn era micca cunnessu à una fonte di energia, i fasci di elettroni (55 keV) cù una carica di ~ 1 fC (femtocoulomb) passanu à circa 300 mm da u cannone elettronicu à u dispusitivu acceleratore lineale (STEAM-linac). Questi elettroni puderanu espansione sottu l'influenza di e forze di carica spaziale finu à una durata di più di 1000 fs (femtoseconds).
À questa durata, u fasciu di l'elettroni occupava circa 60% di a mezza lunghezza d'onda di u campu d'accelerazione à una freccia di 1,7 ps, risultatu in un spettru di energia post-accelerazione cù un piccu à 115 keV è una mità di larghezza di a distribuzione di energia. più di 60 keV (3).
Per paragunà sti risultati cù quelli previsti, a situazione di a propagazione di l'elettroni attraversu un acceleratore lineale hè stata simulata quandu l'elettroni eranu fora di sincronia cù (vale à dì, fora di sincronia cù) u tempu d'iniezione ottimali. I calculi di sta situazione anu dimustratu chì l'aumentu di l'energia di l'elettroni hè assai dipendente da u mumentu di l'iniezione, finu à una scala di tempu subpicosecondu (3b). Vale à dì, cù un paràmetru ottimale, l'elettrone sperimentarà un semiciclu cumpletu di accelerazione di radiazione terahertz in ogni capa (3c).
Se l'elettroni ghjunghjenu in tempi diffirenti, anu sperienze menu accelerazione in a prima capa, chì li face piglià più tempu per viaghjà attraversu. A desincronizazione aumenta allora in i seguenti strati, causendu un rallentamentu indesideratu (3d).
Per minimizzà l'effettu negativu di l'estensione temporale di u fasciu d'elettroni, u primu dispositivu STEAM hà operatu in modu di compressione. A durata di u fasciu d'elettroni à u linac hè stata ottimizzata à un minimu di ~ 350 fs (a mità di larghezza) sintonizzandu l'energia di terahertz furnita à u compressore è cambiendu u linac à u modu di cova (4b).
Image #4
A durata minima di u fasciu hè stata stabilita in cunfurmità cù a durata di l'impulsu UV di photocathode, chì era ~ 600 fs. A distanza trà u compressore è a striscia hà ancu ghjucatu un rolu impurtante, chì limitava a vitezza di a forza di ingrossamentu. Inseme, queste misure permettenu a precisione di femtosecondu in a fase di iniezione di a fase di accelerazione.
Nantu à l'imaghjini 4 si pò vede chì a diffusione di l'energia di u fasciu di elettroni compressi dopu l'accelerazione ottimisata in un acceleratore lineare diminuisce di ~ 4 volte in paragunà à quellu senza cumpressione. A causa di l'accelerazione, u spettru di l'energia di u fasciu cumpressu hè spustatu versu l'energii più elevati, in cuntrastu à u fasciu senza cumpressione. U piccu di u spettru di l'energia dopu l'accelerazione hè di circa 115 keV, è a cuda d'alta energia righjunghji circa 125 keV.
Sti figuri, sicondu a modesta dichjarazione di i scientisti, sò un novu record d'accelerazione (prima di l'accelerazione era 70 keV) in a gamma di terahertz.
Ma per riduce a dispersione di energia (4), un fasciu ancu più cortu deve esse ottinutu.
Image #5
Dans le cas d'un faisceau introduit non compressé, la dépendance parabolique de la taille du faisceau sur le courant révèle l'émittance transversale dans les directions horizontale et verticale : εx,n = 1.703 mm*mrad et εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
A cumpressione, à u turnu, hà migliuratu l'emittanza trasversale di 6 volte à εx,n = 0,285 mm * mrad (orizzontale) è εy,n = 0,246 mm * mrad (verticale).
Hè da nutà chì u gradu di riduzzione di l'emittanza hè apprussimatamente duie volte più grande di u gradu di riduzzione di a durata di u fasciu, chì hè una misura di a non-linearità di a dinamica di l'interazzione cù u tempu quandu l'elettroni sperimentanu una forte focalizazione è sfocatura di u campu magneticu durante l'accelerazione (5b и 5c).
Nantu à l'imaghjini 5b Pò esse vistu chì l'elettroni intrudutti à u tempu ottimale sperimentanu tuttu u mezzu ciculu di l'accelerazione di u campu elettricu. Ma l'elettroni chì arrivanu prima o dopu à u tempu ottimale sperimentanu menu accelerazione è ancu decelerazione parziale. Tali elettroni finiscinu cù menu energia, à pocu pressu.
Una situazione simili hè osservata quandu esposta à un campu magneticu. L'elettroni injectati à u tempu ottimale sperimentanu quantità simmetriche di campi magnetichi pusitivi è negativi. Se l'intruduzioni di l'elettroni hè accadutu prima di u tempu ottimale, allora ci era più campi pusitivi è menu negativi. Se l'elettroni sò intrudutti dopu à u tempu ottimale, ci saranu menu pusitivi è più negativi (5c). E tali deviazioni portanu à u fattu chì l'elettrone pò deviate à a manca, à a diritta, in sopra o in giù, secondu a so pusizioni relative à l'assi, chì porta à un incrementu di u momentu trasversale chì currisponde à l'enfasi o a defocusing di u fasciu.
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà и à ellu.
Epilogue
In riassuntu, u rendiment di l'acceleratore aumenterà se a durata di u fasciu di elettroni hè ridutta. In questu travagliu, a durata di u fasciu ottenibile hè stata limitata da a geometria di a stallazione. Ma, in teoria, a durata di u fasciu pò ghjunghje à menu di 100 fs.
I scientisti nutà ancu chì a qualità di u fasciu pò esse migliuratu ancu più riducendu l'altitudine di i strati è aumentendu u so numeru. Tuttavia, stu mètudu ùn hè micca senza prublemi, in particulare aumentendu a cumplessità di a fabricazione di u dispusitivu.
Stu travagliu hè u stadiu iniziale di un studiu più estensivu è detallatu di una versione miniatura di un acceleratore lineale. Malgradu u fattu chì a versione pruvata hè digià dimustratu risultati eccellenti, chì pò esse ghjustu chjamatu record-breaking, ci hè ancu assai travagliu da fà.
Grazie per a vostra attenzione, restate curiosi è bona settimana à tutti ! 🙂
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