Známý princip „více je silnější“ je již dlouho zaveden v mnoha oblastech společnosti, včetně vědy a techniky. V moderní realitě se však praktické provádění rčení „malý, ale mocný“ stává stále běžnějším. Projevuje se to jak u počítačů, které dříve zabíraly celou místnost, ale nyní se vešly do dětské dlaně, tak u urychlovačů nabitých částic. Ano, pamatujete na Large Hadron Collider (LHC), jehož impozantní rozměry (26 659 m na délku) jsou doslova naznačeny v jeho názvu? To je tedy podle vědců z DESY již minulostí, kteří vyvinuli miniaturní verzi akcelerátoru, která není výkonově horší než jeho předchůdce v plné velikosti. Mini urychlovač navíc dokonce vytvořil nový světový rekord mezi terahertzovými urychlovači, když zdvojnásobil energii vložených elektronů. Jak byl miniaturní urychlovač vyvinut, jaké jsou základní principy jeho fungování a co ukázaly praktické experimenty? Zpráva výzkumné skupiny nám to pomůže zjistit. Jít.
Výzkumná základna
Podle Dongfanga Zhanga a jeho kolegů z DESY (German Electron Synchrotron), kteří vyvinuli mini-urychlovač, hrají ultrarychlé zdroje elektronů neuvěřitelně důležitou roli v životě moderní společnosti. Mnoho z nich se objevuje v medicíně, vývoji elektroniky a vědeckém výzkumu. Největším problémem současných lineárních urychlovačů využívajících vysokofrekvenční oscilátory je jejich vysoká cena, složitá infrastruktura a působivá spotřeba energie. A takové nedostatky značně omezují dostupnost takových technologií pro širší okruh uživatelů.
Tyto zjevné problémy jsou velkým podnětem k vývoji zařízení, jejichž velikost a spotřeba nebudou vyvolávat hrůzu.
Mezi relativní novinky v tomto odvětví patří terahertzové urychlovače, které mají řadu „výhod“:
- Očekává se, že krátké vlny a krátké pulzy terahertzového záření významně zvýší práh zhroutit se*, způsobené polem, které zvýší gradienty zrychlení;
Elektrická porucha* - prudký nárůst intenzity proudu při použití napětí nad kritickou hodnotou.
- přítomnost účinných metod pro generování terahertzového záření s vysokým polem umožňuje vnitřní synchronizaci mezi elektrony a excitačními poli;
- K vytvoření takových zařízení lze použít klasické metody, ale výrazně se sníží jejich cena, doba výroby a velikost.
Vědci se domnívají, že jejich terahertzový urychlovač v milimetrovém měřítku je kompromisem mezi konvenčními urychlovači, které jsou v současné době k dispozici, a mikrourychlovači, které se vyvíjejí, ale mají mnoho nevýhod kvůli svým velmi malým rozměrům.
Vědci nepopírají, že technologie terahertzového zrychlení je již nějakou dobu ve vývoji. Podle jejich názoru však v této oblasti stále existuje mnoho aspektů, které nebyly prozkoumány, testovány nebo implementovány.
Ve své práci, kterou dnes zvažujeme, vědci demonstrují schopnosti STEAM (segmentovaný terahertzový elektronový urychlovač a manipulátor) - segmentovaný terahertzový elektronový urychlovač a manipulátor. STEAM umožňuje zkrátit délku elektronového paprsku na sub-pikosekundové trvání, čímž poskytuje femtosekundovou kontrolu nad fází zrychlení.
Podařilo se dosáhnout zrychlovacího pole 200 MV/m (MV - megavolt), což vede k rekordnímu terahertzovému zrychlení > 70 keV (kiloelektronvolt) z vloženého elektronového paprsku s energií 55 keV. Tímto způsobem byly získány urychlené elektrony až na 125 keV.
Struktura a implementace zařízení
Obrázek č. 1: schéma zkoumaného zařízení.
Obrázek č. 1-2: a - schéma rozvinuté 5vrstvé segmentované struktury, b - poměr vypočteného zrychlení a směru šíření elektronů.
Jsou generovány elektronové paprsky (55 keV). elektronová pistole* a jsou zavedeny do terahertzového STEAM-buncheru (paprskový kompresor), po kterém přecházejí do STEAM-linac (lineární urychlovač*).
Elektronová pistole* — zařízení pro generování svazku elektronů požadované konfigurace a energie.
Lineární urychlovač* - urychlovač, ve kterém nabité částice projdou strukturou pouze jednou, což odlišuje lineární urychlovač od cyklického (například LHC).
Obě zařízení STEAM přijímají terahertzové pulsy z jednoho blízkého infračerveného (NIR) laseru, který také vystřeluje fotokatodu elektronové trysky, což má za následek vnitřní synchronizaci mezi elektrony a urychlovacími poli. Ultrafialové pulsy pro fotoemisi na fotokatodě jsou generovány ve dvou po sobě jdoucích fázích GVG* základní vlnová délka blízkého infračerveného světla. Tento proces převádí laserový puls 1020 nm nejprve na 510 nm a poté na 255 nm.
GVG* (optická generace druhé harmonické) je proces spojování fotonů stejné frekvence během interakce s nelineárním materiálem, což vede ke vzniku nových fotonů s dvojnásobnou energií a frekvencí a také poloviční vlnovou délkou.
Zbytek NIR laserového paprsku je rozdělen do 4 paprsků, které se používají ke generování čtyř jednocyklových terahertzových pulsů generováním intrapulzních frekvenčních rozdílů.
Dva terahertzové pulsy jsou pak dodávány do každého zařízení STEAM prostřednictvím symetrických struktur rohu, které směrují terahertzovou energii do oblasti interakce napříč směrem šíření elektronů.
Když elektrony vstoupí do každého zařízení STEAM, jsou vystaveny elektrickým a magnetickým součástem Lorentzovy síly*.
Lorentzova síla* - síla, kterou působí elektromagnetické pole na nabitou částici.
V tomto případě je elektrické pole zodpovědné za zrychlení a zpomalení a magnetické pole způsobuje boční výchylky.
Obrázek č. 2
Jak vidíme na obrázcích 2a и 2b, Uvnitř každého zařízení STEAM jsou terahertzové paprsky rozděleny příčně tenkými kovovými pláty do několika vrstev různé tloušťky, z nichž každá působí jako vlnovod, přenášející část celkové energie do oblasti interakce. V každé vrstvě jsou také dielektrické desky pro koordinaci doby příchodu terahertzů čelo vlny* s přední částí elektronů.
Wavefront* - povrch, na který vlna dosáhla.
Obě zařízení STEAM pracují v elektrickém režimu, to znamená tak, že vytvářejí elektrické pole a potlačují magnetické pole ve středu interakční oblasti.
V prvním zařízení jsou elektrony načasovány tak, aby prošly nulový přechod* terahertzové pole, kde jsou časové gradienty elektrického pole maximalizovány a průměrné pole je minimalizováno.
Přechod nulou* - bod, kde není žádné napětí.
Tato konfigurace způsobuje zrychlení ocasu elektronového paprsku a zpomalení jeho hlavy, což vede k balistickému podélnému zaostřování (2a и 2).
Ve druhém zařízení je synchronizace elektronového a terahertzového záření nastavena tak, že elektronový paprsek zažívá pouze negativní cyklus terahertzového elektrického pole. Tato konfigurace má za následek čisté nepřetržité zrychlení (2b и 2d).
NIR laser je kryogenně chlazený systém Yb:YLF, který produkuje optické pulsy o trvání 1.2 ps a energii 50 mJ při vlnové délce 1020 nm a opakovací frekvenci 10 Hz. A terahertzové pulsy s centrální frekvencí 0.29 terahertzů (perioda 3.44 ps) jsou generovány metodou šikmého pulsu.
K napájení STEAM-buncheru (paprskový kompresor) bylo použito pouze 2 x 50 nJ terahertzové energie a STEAM-linac (lineární urychlovač) vyžadoval 2 x 15 mJ.
Průměr vstupních a výstupních otvorů obou zařízení STEAM je 120 mikronů.
Kompresor paprsku je navržen se třemi vrstvami stejné výšky (0 mm), které jsou vybaveny deskami z taveného křemene (ϵr = 225) o délce 4.41 a 0.42 mm pro řízení časování. Stejné výšky vrstev kompresoru odrážejí skutečnost, že nedochází k žádné akceleraci (2).
Ale v lineárním urychlovači jsou výšky již jiné - 0.225, 0.225 a 0.250 mm (+ tavené křemenné desky 0.42 a 0.84 mm). Zvýšení výšky vrstvy vysvětluje zvýšení rychlosti elektronů během zrychlování.
Vědci poznamenávají, že počet vrstev je přímo zodpovědný za funkčnost každého ze dvou zařízení. Dosažení vyšších rychlostí zrychlení by například vyžadovalo více vrstev a různé výškové konfigurace pro optimalizaci interakce.
Výsledky praktických experimentů
Za prvé, výzkumníci připomínají, že u tradičních radiofrekvenčních urychlovačů je účinek časového rozsahu vloženého elektronového paprsku na vlastnosti urychleného paprsku způsoben změnou elektrického pole, ke kterému dochází během interakce různých elektronů v přicházejícím paprsku. v různých časech. Lze tedy očekávat, že pole s vyššími gradienty a paprsky s delší dobou trvání povedou k většímu rozptylu energie. Injektované paprsky dlouhého trvání mohou také vést k vyšším hodnotám emise*.
Emitance* — fázový prostor obsazený urychleným paprskem nabitých částic.
V případě terahertzového urychlovače je perioda budícího pole přibližně 200krát kratší. Proto, napětí* podporované pole bude 10krát vyšší.
Síla elektrického pole* - indikátor elektrického pole, rovný poměru síly působící na stacionární bodový náboj umístěný v daném bodě pole k velikosti tohoto náboje.
V terahertzovém urychlovači tedy mohou být gradienty pole vystavené elektronům o několik řádů vyšší než v konvenčním zařízení. Časové měřítko, na kterém je zakřivení pole patrné, bude výrazně menší. Z toho vyplývá, že doba trvání zavedeného elektronového paprsku bude mít výraznější vliv.
Vědci se rozhodli tyto teorie otestovat v praxi. K tomu zavedli elektronové paprsky různé doby trvání, které byly řízeny kompresí pomocí prvního zařízení STEAM (STEAM-buncher).
Obrázek č. 3
V případě, že kompresor nebyl připojen ke zdroji energie, paprsky elektronů (55 keV) s nábojem ~1 fC (femtokoulomb) procházely přibližně 300 mm z elektronového děla do zařízení lineárního urychlovače (STEAM-linac). Tyto elektrony by mohly expandovat pod vlivem sil prostorového náboje až po dobu delší než 1000 fs (femtosekund).
V této době elektronový paprsek zabíral asi 60 % poloviční vlnové délky urychlovacího pole o frekvenci 1,7 ps, což vedlo k energetickému spektru po zrychlení s vrcholem při 115 keV a poloviční šířkou distribuce energie. větší než 60 keV (3a).
Pro srovnání těchto výsledků s těmi očekávanými byla simulována situace šíření elektronů lineárním urychlovačem, když elektrony nebyly synchronizovány (tj. nebyly synchronizovány s) optimální dobou vstřikování. Výpočty této situace ukázaly, že nárůst energie elektronů je velmi závislý na okamžiku vstřiku, a to až do subpikosekundového časového měřítka (3b). To znamená, že při optimálním nastavení zažije elektron celou polovinu cyklu zrychlení terahertzového záření v každé vrstvě (3).
Pokud elektrony dorazí v různých časech, zaznamenají menší zrychlení v první vrstvě, takže jim cesta trvá déle. Desynchronizace se pak zvyšuje v následujících vrstvách, což způsobuje nežádoucí zpomalení (3d).
Aby se minimalizoval negativní účinek dočasného prodloužení elektronového paprsku, první zařízení STEAM pracovalo v kompresním režimu. Trvání elektronového paprsku na linac bylo optimalizováno na minimum ~350 fs (poloviční šířka) vyladěním terahertzové energie dodávané do kompresoru a přepnutím linac do režimu šrafování (4b).
Obrázek č. 4
Minimální doba trvání paprsku byla nastavena v souladu s dobou trvání UV pulsu fotokatody, která byla ~600 fs. Důležitou roli hrála i vzdálenost mezi kompresorem a pásem, která omezovala rychlost zahušťovací síly. Společně tato opatření umožňují femtosekundovou přesnost ve fázi vstřikování ve fázi akcelerace.
Na obrázku 4a je vidět, že šíření energie komprimovaného elektronového paprsku po optimalizovaném zrychlení v lineárním urychlovači klesá ~ 4x oproti nestlačenému. Energetické spektrum stlačeného paprsku je vlivem zrychlení posunuto směrem k vyšším energiím, na rozdíl od nestlačeného paprsku. Vrchol energetického spektra po zrychlení je asi 115 keV a vysokoenergetický konec dosahuje asi 125 keV.
Tyto údaje jsou podle skromného vyjádření vědců novým rekordem zrychlení (před zrychlením to bylo 70 keV) v rozsahu terahertzů.
Ale aby se snížil rozptyl energie (4a), musí být dosaženo ještě kratšího paprsku.
Obrázek č. 5
V případě nestlačeného zavedeného paprsku parabolická závislost velikosti paprsku na proudu odhaluje příčnou emitanci v horizontálním a vertikálním směru: εx,n = 1.703 mm*mrad a εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Komprese zase zlepšila příčnou emisivitu 6krát na εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontální) a εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikální).
Stojí za zmínku, že stupeň redukce emitance je přibližně dvakrát větší než stupeň redukce trvání paprsku, což je míra nelinearity dynamiky interakce s časem, kdy elektrony zažívají silné zaostření a rozostření magnetického pole během zrychlení (5b и 5).
Na obrázku 5b Je vidět, že elektrony zavedené v optimálním čase prožívají celý půlcyklus zrychlení elektrického pole. Ale elektrony, které dorazí před nebo po optimální době, zažívají menší zrychlení a dokonce i částečné zpomalení. Takové elektrony skončí s menší energií, zhruba řečeno.
Podobná situace je pozorována při vystavení magnetickému poli. Elektrony vstřikované v optimálním čase zažívají symetrická množství kladných a záporných magnetických polí. Pokud k zavedení elektronů došlo před optimální dobou, pak bylo více pozitivních polí a méně negativních. Pokud jsou elektrony zavedeny později, než je optimální čas, bude méně kladných a více záporných (5). A takové odchylky vedou k tomu, že se elektron může odchýlit doleva, doprava, nahoru nebo dolů v závislosti na své poloze vzhledem k ose, což vede ke zvýšení příčné hybnosti odpovídající zaostření nebo rozostření paprsku.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout и jemu.
Epilog
Stručně řečeno, výkon urychlovače se zvýší, pokud se zkrátí doba trvání elektronového paprsku. V této práci byla dosažitelná doba trvání paprsku omezena geometrií instalace. Teoreticky však může trvání paprsku dosáhnout méně než 100 fs.
Vědci také poznamenávají, že kvalitu paprsku lze dále zlepšit snížením výšky vrstev a zvýšením jejich počtu. Tento způsob však není bez problémů, zejména zvyšuje složitost výroby zařízení.
Tato práce je počáteční fází rozsáhlejší a podrobnější studie miniaturní verze lineárního urychlovače. I přesto, že již testovaná verze vykazuje výborné výsledky, které lze právem označit za rekordní, zbývá ještě hodně práce.
Děkuji za pozornost, buďte zvědaví a přeji všem krásný týden! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com