Princip „více znamená silnější“ je již dlouho zaveden v mnoha oblastech života společnosti, včetně vědy a technologií. Nicméně v moderní době se stále častěji objevuje praktická realizace přísloví „malý, ale šikovný“. To je patrné jak u počítačů, které dříve zabíraly celou místnost, a nyní se vejdou do dlaně dítěte, tak u urychlovačů nabitých částic. Ano, pamatujete si velký hadronový kolidér (LHC), jehož působivé rozměry (26 659 m na délku) jsou doslova uvedeny v jeho názvu? Podle vědců z DESY je to už minulost, protože vyvinuli mini verzi urychlovače, která v parametrech nezaostává za svým plnoformátovým předchůdcem. Více než to, mini urychlovač dokonce stanovil nový světový rekord mezi terahertzovými urychlovači tím, že zdvojnásobil energii vložených elektronů. Jak byl mini urychlovač vyvinut, jaké jsou jeho hlavní principy a co ukázaly praktické experimenty? O tom nám pomůže přiblížit zpráva výzkumné skupiny. Jdeme na to.
Základ výzkumu
Podle Dungfana Zhanga a jeho kolegů z DESY (Německý elektronový Synchrotron), kteří vyvinuli mini-urychlovač, hrají superrychlé zdroje elektronů neuvěřitelně důležitou roli v životě moderní společnosti. Mnohé z nich se projevují v medicíně, vývoji elektroniky a ve vědeckém výzkumu. Největším problémem současných lineárních urychlovačů, které používají rádiové generátory, je jejich vysoká cena, složitost infrastruktury a značné nároky na spotřebovanou energii. Takové nedostatky výrazně omezují přístupnost těchto technologií pro širší okruh uživatelů.
Tyto očividné problémy jsou výbornou motivací pro vývoj zařízení, jejichž rozměry nebudou vyvolávat hrůzu, stejně jako míra spotřebované energie.
Mezi relativní novinky v tomto odvětví lze vyzdvihnout terahertzové urychlovače, které mají řadu „výhod“:
- očekává se, že krátké vlny a krátké impulsy terahertzového záření umožní výrazně zvýšit prahovou hodnotu*, způsobenou polem, což umožní zvýšení gradientů urychlení;
Elektrický průraz* — náhlé zvýšení síly proudu při aplikaci napětí nad kritickou hodnotu.
- přítomnost efektivních metod generování vysoce pole terahertzového záření umožňuje provádět vnitřní synchronizaci mezi elektrony a excitujícími poli;
- pro vytváření takových zařízení mohou být použity klasické metody, ale jejich náklady, výrobní čas a rozměry budou výrazně sníženy.
Vědci se domnívají, že jejich terahertzový akcelerátor v milimetrových měřítkách představuje kompromis mezi běžnými akcelerátory, které existují nyní, a mikroakcelerátory, které se vyvíjejí, ale mají řadu nevýhod kvůli svým velmi malým rozměrům.
Výzkumníci nepopírají, že technologie terahertzového akcelerace je již nějakou dobu v oblasti vývoje. Nicméně v jejich názoru existuje v této oblasti ještě spousta aspektů, které nebyly prozkoumány, ověřeny nebo implementovány.
Ve své práci, kterou dnes zkoumáme, vědci demonstrují možnosti STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — segmentovaného terahertzového elektronového akcelerátoru a manipulátoru. STEAM umožňuje zkrátit délku svazku elektronů na subpikosekundovou délku trvání, a tím zajistit femtosekundní kontrolu nad fází akcelerace.
Podařilo se dosáhnout pole akcelerace 200 MV/m (MV — megavolt), což vede k rekordnímu terahertzovému urychlení v > 70 keV (kiloelektronvolt) od vneseného svazku elektronů s energií 55 keV. Tímto způsobem byly získány urychlené elektrony až do 125 keV.
Struktura zařízení a její realizace
Obrázek č. 1: schéma zkoumaného zařízení.
Obrázek č. 1-2: a — schéma navržené 5-vrstvé segmentované struktury, b — poměr vypočtené akcelerace a směru šíření elektronů.
Svazky elektronů (55 keV) jsou generovány z elektronické pušky* a vnášeny do terahertzového STEAM-buncheru (kompresoru svazku), poté přecházejí do STEAM-linacu (lineární akcelerátor*).
Elektronická puška* — zařízení pro generování svazku elektronů v potřebné konfiguraci a energii.
Lineární akcelerátor* — akcelerátor, ve kterém nabité částice procházejí strukturou pouze jednou, což odlišuje lineární akcelerátor od cyklického (například LHC).
Obě STEAM zařízení získávají terahertzové impulsy z jediného laseru blízkého infračerveného světla (NIR), který také spouští fotokatodu elektronové zbraně, což vede k vnitřní synchronizaci mezi elektrony a akcelerujícími poli. Ultrafiolové impulsy pro fotoemisii na fotokatodě jsou generovány prostřednictvím dvou po sobě jdoucích fází. GVG* základní vlnové délky blízkého infračerveného světla. Tento proces přeměňuje laserový impuls o vlnové délce 1020 nm nejprve na 510 nm a poté na 255 nm.
GVG* (generace druhé optické harmoniky) – proces slučování fotonů se stejnou frekvencí při interakci s nonlinearním materiálem, což vede k vytváření nových fotonů s dvojnásobnou energií a frekvencí a také s dvojnásobně kratší vlnovou délkou.
Zbytek paprsku NIR-laseru je rozdělen na 4 paprsky, které se používají pro generaci čtyř jednocyklových terahertzových impulsů prostřednictvím generace rozdílových vnitropulzních frekvencí.
Dva terahertzové impulsy poté vstupují do každého STEAM zařízení prostřednictvím symetrických rohových struktur, které nasměrovávají terahertzovou energii do oblasti interakce napříč směrem šíření elektronů.
Když elektrony vstupují do každého ze STEAM zařízení, jsou vystaveny elektrickým a magnetickým složkám. Lorentzově síle*.
Lorentzova síla* – síla, s kterou elektromagnetické pole působí na nabitou částici.
V tomto případě elektrické pole odpovídá za zrychlení a zpomalení, zatímco magnetické pole způsobuje příčné odchylky.
Obrázek č. 2
Jak vidíme na obrázcích 2a a 2b, uvnitř každého STEAM zařízení jsou terahertzové paprsky rozděleny napříč tenkými kovovými plechy v několika vrstvách různých tlouštěk, z nichž každá funguje jako vlnovod, který přenáší část celkové energie do oblasti interakce. Každá vrstva také obsahuje dielektrické desky pro ladění času příchodu terahertzového vlnového frontu* s frontem elektronů.
Vlnový front* – plocha, do které se vlna dostala.
Obě STEAM zařízení pracují v elektrickém režimu, tedy tak, aby produkovala překrytí elektrického pole a potlačení magnetického pole ve středu oblasti interakce.
V prvním zařízení jsou elektrony časově naplánovány tak, aby procházely průsečíkem nuly* terahertzového pole, kde jsou časové gradienty elektrického pole maximální a průměrné pole minimální.
Průsečík nuly* — bod, kde není žádné napětí.
Taková konfigurace způsobuje zrychlení ocasu elektronového svazku a zpomalení jeho hlavy, což vede k balistickému podélnému zaostření (2a a 2c).
Ve druhém zařízení je synchronizace elektronu a terahertzového záření nastavena tak, že elektronový svazek zažívá pouze záporný cyklus terahertzového elektrického pole. Taková konfigurace vede k čistému kontinuálnímu zrychlení (2b a 2d).
Laser s NIR zářením připomíná kryogenicky chlazený systém Yb:YLF, který vydává optické impulsy o délce 1,2 ps a energii 50 mJ při vlnové délce 1020 nm a frekvenci 10 Hz. A terahertzové impulsy s centrální frekvencí 0,29 terahertz (periode 3,44 ps) jsou generovány metodou nakloněného frontu impulzu.
Pro napájení STEAM-bunchera (kompresor svazku) byla použita pouze 2 x 50 nJ terahertzové energie, a pro STEAM-linac (lineární urychlovač) bylo zapotřebí 2 x 15 mJ.
Průměr vstupních a výstupních otvorů obou STEAM zařízení činí 120 µm.
Kompresor svazku je navržen se třemi vrstvami stejné výšky (0,225 mm), které jsou vybaveny deskami z taveného křemene (ϵr = 4,41) o délkách 0,42 a 0,84 mm pro kontrolu časové synchronizace. Stejné výšky vrstev kompresoru odrážejí skutečnost, že zrychlení nenastává (2c).
Avšak v lineárním urychlovači již výšky odlišují — 0,225, 0,225 a 0,250 mm (+ desky z taveného křemene 0,42 a 0,84 mm). Zvýšení výšky vrstvy vysvětluje zvýšení rychlosti elektronů při zrychlení.
Vědci poznamenávají, že počet vrstev přímo ovlivňuje funkčnost každého z obou zařízení. Pro dosažení vysokého stupně zrychlení například bude potřeba více vrstev a jiná konfigurace výšek pro optimalizaci interakce.
Výsledky praktických experimentů
Především výzkumníci připomínají, že u tradičních akcelerátorů na bázi rádiových frekvencí je vliv časové délky zavedeného elektronového svazku na vlastnosti urychleného svazku spojen se změnou elektrického pole, které je vystaveno různými elektrony uvnitř svazku, přicházejícími v různém čase. Tímto způsobem lze předpokládat, že pole s větším gradientem a svazky s delšími trváním povedou k většímu rozptýlení energií. Zavedené svazky s dlouhým trváním také mohou vést k vyšším hodnotám. emitancí*.
Emitance* — fázový prostor, který zabírá urychlený svazek nabitých částic.
V případě terahertzového akcelerátoru je perioda vzrušujícího pole přibližně 200krát kratší. Následně, intenzita* udržovaného pole bude 10krát vyšší.
Intenzita elektrického pole* — ukazatel elektrického pole, který je roven poměru síly aplikované na klidný bodový náboj umístěný v daném bodě pole k velikosti tohoto náboje.
Takže v terahertzovém akcelerátoru mohou být gradienty pole, které elektronům působí, několikanásobně vyšší než v běžném zařízení. Časová škála, na které je zakřivení pole viditelné, bude výrazně menší. Z toho vyplývá, že délka zavedeného elektronového svazku bude mít výraznější vliv.
Vědci se prakticky rozhodli ověřit tato data teorie. K tomu zaváděli svazky elektronů různé délky, která byla kontrolována kompresí pomocí prvního zařízení STEAM (STEAM-buncher).
Obrázek č. 3
V případě, že kompresor nebyl připojen k síti, procházely svazky elektronů (55 kэV) s nábojem ∼1 fC (femtokoulon) přibližně 300 mm od elektronové pušky k zařízení lineárního urychlovače (STEAM-linac). Tito elektrony se mohly rozšiřovat vlivem sil prostorového náboje až do trvání více než 1000 fs (femtosekund).
Při takové délce elektronový svazek zabíral přibližně 60 % půlvlny urychlovacího pole s frekvencí 1,7 ps, což vedlo k energetickému spektru po urychlení s vrcholem na 115 kэV a poloměrem rozdělení energie více než 60 kэV (3a).
Pro srovnání těchto výsledků s očekávanými byla simulována situace šíření elektronů skrze lineární urychlovač, kdy byly elektrony desynchronizovány (tj. neshodují se) vzhledem k optimálnímu času zavedení. Výpočty takové situace ukázaly, že nárůst energie elektronů velmi závisí na momentu zavedení až na subpikosekundové časové měřítko (3b). To znamená, že při optimálním nastavení elektron zažije plný poločas zrychlení terahertzového záření v každé vrstvě (3s).
Pokud však elektrony přicházejí v různé době, zažívají menší zrychlení v první vrstvě, což vyžaduje více času na její průchod. Poté se desynchronizace zesiluje v dalších vrstvách, což způsobuje nežádoucí zpomalení (3d).
Aby se co nejvíce snížil negativní efekt časové délky elektronového svazku, první STEAM zařízení pracovalo v režimu komprese. Délka elektronového svazku na lineárním urychlovači byla optimalizována na minimum ~ 350 fs (plná šířka) prostřednictvím ladění terahertzové energie dodávané do kompresoru a přepnutí lineárního urychlovače do režimu štěpování (4b).
Obrázek č. 4
Minimální délka svazku byla nastavena podle délky UV impulzu fotokatalyzátoru, jehož délka činila ~ 600 fs. Také sehrála důležitou roli vzdálenost mezi kompresorem a pásmem, což omezilo sílu zhušťování dle rychlosti. V souhrnu tato opatření umožňují zajistit femtosekundovou přesnost fáze zavedení v fázi zrychlení.
Na obrázku 4a Je patrné, že rozptyl energie stlačeného elektronového svazku po optimalizovaném zrychlení v lineárním urychlovači se snižuje o ~ 4x ve srovnání s nestlačeným. Díky zrychlení se energetické spektrum stlačeného svazku posunuje směrem k vyšším energiím, na rozdíl od nestlačeného svazku. Vrchol energetického spektra po zrychlení činí přibližně 115 keV a vysokon energetický chvost dosahuje přibližně 125 keV.
Tyto hodnoty, dle skromného prohlášení vědců, představují nový rekord zrychlení (před zrychlením bylo 70 keV) v terahertzovém rozsahu.
Ale pro snížení rozptylu energie (4a), je nutné dosáhnout ještě kratšího svazku.
Obrázek č. 5
V případě neskomprimovaného vstupního svazku parabolická závislost velikosti svazku na proudu odhaluje příčný emitance v horizontálním a vertikálním směru: εx,n = 1,703 mm*mrad a εy,n = 1,491 mm*mrad (5a).
Kompresí se však příčný emitance zlepšil 6krát na εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontální) a εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikální).
Je třeba poznamenat, že míra snížení emitance je přibližně dvakrát větší než míra zkrácení trvání svazku, což je měřítkem nelinearity dynamiky interakce v čase, kdy elektrony zažívají silnou fokalizaci a defokalizaci magnetického pole během akcelerace (5b a 5c).
Na obrázku 5b je vidět, že elektrony, které byly zavedeny v optimálním čase, procházejí celým poloperiodem akcelerace elektrického pole. Naproti tomu elektrony, které dorazily před nebo po optimálním okamžiku, zažívají menší akceleraci a dokonce částečné zpomalení. Takové elektrony tak získávají méně energie, zjednodušeně řečeno.
Podobná situace se objevuje i při působení magnetického pole. Elektrony zavedené v optimálním čase zažívají symetrické množství pozitivních a negativních magnetických polí. Pokud však došlo k zavedení elektronů dříve, než bylo optimální časové okno, bylo více pozitivních a méně negativních polí. V případě zavedení elektronů později než v optimálním čase – méně pozitivních a více negativních (5c). A takové odchylky vedou k tomu, že elektron může být odkloněn doleva, doprava, nahoru nebo dolů v závislosti na jeho poloze vůči ose, což vede ke zvýšení příčného impulzu odpovídajícího fokalizaci nebo defokalizaci svazku.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do a k ní.
Epilog
Shrnuto, výkon urychlovače se zvyšuje v případě zkrácení trvání svazku elektronů. V této práci byla dosažitelná doba svazku omezena geometrií zařízení. Ale teoreticky může trvání svazku dosahovat i méně než 100 fs.
Také vědci zdůrazňují, že kvalitu svazku lze dále zlepšit snížením výšky vrstev a zvýšením jejich počtu. Tento přístup však není bez problémů, zejména zvýšení složitosti výroby zařízení.
Tato práce je prvním krokem k rozsáhlejšímu a podrobnějšímu studiu mini verze lineárního urychlovače. I když testovaná verze již vykazuje vynikající výsledky, které lze s jistotou nazvat rekordními, práce je stále hodně.
Děkuji za pozornost, zůstávejte zvědaví a přeji všem dobrý pracovní týden, kamarádi! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
