Mae'r egwyddor gyfarwydd o “fwy yn fwy pwerus” wedi'i hen sefydlu mewn llawer o sectorau o'r gymdeithas, gan gynnwys gwyddoniaeth a thechnoleg. Fodd bynnag, mewn realiti modern, mae gweithrediad ymarferol y dywediad “bach, ond nerthol” yn dod yn fwyfwy cyffredin. Amlygir hyn mewn cyfrifiaduron, a oedd yn flaenorol yn cymryd ystafell gyfan, ond sydd bellach yn ffitio yng nghledr plentyn, ac mewn cyflymyddion gronynnau gwefredig. Ydy, cofiwch y Gwrthdarwr Hadron Mawr (LHC), y mae ei ddimensiynau trawiadol (26 m o hyd) wedi'u nodi'n llythrennol yn ei enw? Felly, mae hyn eisoes yn rhywbeth o'r gorffennol yn ôl gwyddonwyr DESY, sydd wedi datblygu fersiwn fach o'r cyflymydd, nad yw'n israddol mewn perfformiad i'w ragflaenydd maint llawn. Ar ben hynny, mae'r cyflymydd mini hyd yn oed yn gosod record byd newydd ymhlith cyflymwyr terahertz, gan ddyblu egni'r electronau gwreiddio. Sut cafodd y cyflymydd bach ei ddatblygu, beth yw egwyddorion sylfaenol ei weithrediad, a beth mae arbrofion ymarferol wedi'i ddangos? Bydd adroddiad y grŵp ymchwil yn ein helpu i ddarganfod hyn. Ewch.
Sail ymchwil
Yn ôl Dongfang Zhang a'i gydweithwyr yn DESY (German Electron Synchrotron), a ddatblygodd y cyflymydd bach, mae ffynonellau electronau cyflym iawn yn chwarae rhan hynod bwysig ym mywyd cymdeithas fodern. Mae llawer ohonynt yn ymddangos mewn meddygaeth, datblygu electroneg ac ymchwil wyddonol. Y broblem fwyaf gyda chyflymwyr llinellol cyfredol sy'n defnyddio osgiliaduron amledd radio yw eu cost uchel, seilwaith cymhleth, a defnydd pŵer trawiadol. Ac mae diffygion o'r fath yn cyfyngu'n fawr ar argaeledd technolegau o'r fath i ystod ehangach o ddefnyddwyr.
Mae'r problemau amlwg hyn yn gymhelliant gwych i ddatblygu dyfeisiau na fydd eu maint a'u defnydd o bŵer yn achosi arswyd.
Ymhlith y newyddbethau cymharol yn y diwydiant hwn mae cyflymyddion terahertz, sydd â nifer o “fuddiannau”:
- Disgwylir y bydd tonnau byr a chorbys byr o ymbelydredd terahertz yn cynyddu'r trothwy yn sylweddol torri lawr*, a achosir gan y maes, a fydd yn cynyddu graddiannau cyflymu;
Dadansoddiad trydanol* - cynnydd sydyn mewn cryfder cerrynt pan fydd foltedd uwchlaw critigol yn cael ei gymhwyso.
- presenoldeb dulliau effeithiol ar gyfer cynhyrchu ymbelydredd terahertz maes uchel yn caniatáu ar gyfer cydamseru mewnol rhwng electronau a meysydd excitation;
- Gellir defnyddio dulliau clasurol i greu dyfeisiau o'r fath, ond bydd eu cost, amser cynhyrchu a maint yn cael eu lleihau'n fawr.
Mae gwyddonwyr yn credu bod eu cyflymydd terahertz ar raddfa milimetr yn gyfaddawd rhwng cyflymyddion confensiynol sydd ar gael ar hyn o bryd a micro-gyflymwyr sy'n cael eu datblygu, ond sydd â llawer o anfanteision oherwydd eu dimensiynau bach iawn.
Nid yw ymchwilwyr yn gwadu bod technoleg cyflymu terahertz wedi bod yn cael ei datblygu ers peth amser. Fodd bynnag, yn eu barn nhw, mae yna lawer o agweddau yn y maes hwn o hyd nad ydynt wedi'u hastudio, eu profi na'u gweithredu.
Yn eu gwaith, yr ydym yn ei ystyried heddiw, mae gwyddonwyr yn dangos galluoedd STEAM (cyflymydd electron terahertz segmentiedig a manipulator) - cyflymydd electron terahertz segmentiedig a manipulator. Mae STEAM yn ei gwneud hi'n bosibl lleihau hyd y pelydr electron i hyd is-picosecond, a thrwy hynny ddarparu rheolaeth femtosecond dros y cyfnod cyflymu.
Roedd yn bosibl cyflawni maes cyflymiad o 200 MV/m (MV - megavolt), sy'n arwain at gyflymiad terahertz record o > 70 keV (kiloelectronvolt) o'r pelydr electron wedi'i fewnosod gydag egni o 55 keV. Yn y modd hwn, cafwyd electronau carlam hyd at 125 keV.
Strwythur a gweithrediad y ddyfais
Delwedd Rhif 1: diagram o'r ddyfais sy'n cael ei hastudio.
Delwedd Rhif 1-2: a - diagram o'r strwythur segmentiedig 5-haen datblygedig, b - cymhareb y cyflymiad cyfrifo a chyfeiriad lluosogi electronau.
Mae trawstiau electron (55 keV) yn cael eu cynhyrchu o gwn electron* ac yn cael eu cyflwyno i'r terahertz STEAM-buncher (cywasgydd trawst), ac ar ôl hynny maent yn trosglwyddo i'r STEAM-linac (cyflymydd llinol*).
Gwn electron* — dyfais ar gyfer cynhyrchu pelydryn o electronau o'r ffurfweddiad a'r egni gofynnol.
Cyflymydd llinellol* - cyflymydd lle mae gronynnau gwefredig yn mynd trwy'r adeiledd unwaith yn unig, sy'n gwahaniaethu rhwng cyflymydd llinol ac un cylchol (er enghraifft, yr LHC).
Mae'r ddau ddyfais STEAM yn derbyn curiadau terahertz o un laser bron-isgoch (NIR), sydd hefyd yn tanio ffotocatod y gwn electron, gan arwain at gydamseru mewnol rhwng electronau a meysydd cyflymu. Mae corbys uwchfioled ar gyfer ffoto-allyriadau yn y ffotocatod yn cael eu cynhyrchu trwy ddau gam yn olynol GVG* tonfedd sylfaenol golau sydd bron yn isgoch. Mae'r broses hon yn trosi pwls laser 1020 nm yn gyntaf i 510 nm ac yna i 255 nm.
GVG* (ail genhedlaeth harmonig optegol) yw'r broses o gyfuno ffotonau o'r un amledd yn ystod rhyngweithio â deunydd aflinol, sy'n arwain at ffurfio ffotonau newydd gyda dwbl yr egni a'r amlder, yn ogystal â hanner y donfedd.
Mae gweddill y pelydr laser NIR wedi'i rannu'n 4 trawst, a ddefnyddir i gynhyrchu pedwar curiad terahertz un cylch trwy gynhyrchu gwahaniaethau amlder o fewn curiad y galon.
Yna mae'r ddau gorbys terahertz yn cael eu danfon i bob dyfais STEAM trwy strwythurau corn cymesurol sy'n cyfeirio'r egni terahertz i'r rhanbarth rhyngweithio ar draws cyfeiriad lluosogi electronau.
Pan fydd electronau'n mynd i mewn i bob dyfais STEAM, maent yn agored i gydrannau trydanol a magnetig lluoedd Lorentz*.
Llu Lorentz* - y grym y mae'r maes electromagnetig yn gweithredu ag ef ar ronyn â gwefr.
Yn yr achos hwn, y maes trydan sy'n gyfrifol am gyflymu ac arafu, ac mae'r maes magnetig yn achosi gwyriadau ochrol.
Delwedd #2
Fel y gwelwn yn y delweddau 2 и 2b, Y tu mewn i bob dyfais STEAM, mae'r trawstiau terahertz yn cael eu rhannu'n drawslinol gan ddalennau metel tenau i mewn i sawl haen o drwch amrywiol, ac mae pob un ohonynt yn gweithredu fel canllaw tonnau, gan drosglwyddo rhan o gyfanswm yr egni i'r rhanbarth rhyngweithio. Mae yna hefyd blatiau dielectrig ym mhob haen i gydlynu amser cyrraedd y terahertz blaen tonnau * gyda blaen electronau.
Glan y Ton* — yr arwyneb y mae y don wedi cyrhaedd iddo.
Mae'r ddau ddyfais STEAM yn gweithredu mewn modd trydanol, hynny yw, yn y fath fodd ag i osod maes trydan ac atal maes magnetig yng nghanol yr ardal ryngweithio.
Yn y ddyfais gyntaf, mae electronau'n cael eu hamseru i basio drwodd croesfan sero* maes terahertz, lle mae graddiannau amser y maes trydan yn cael eu cynyddu i'r eithaf ac mae'r maes cyfartalog yn cael ei leihau.
Croesfan sero* - pwynt lle nad oes tensiwn.
Mae'r cyfluniad hwn yn achosi i gynffon y pelydr electron gyflymu a'i ben i arafu, gan arwain at ganolbwyntio hydredol balistig (2 и 2c).
Yn yr ail ddyfais, gosodir cydamseriad ymbelydredd electron a terahertz fel bod y pelydr electron yn profi cylch negyddol yn unig o faes trydan terahertz. Mae'r ffurfweddiad hwn yn arwain at gyflymiad parhaus net (2b и 2d).
Mae'r laser NIR yn system Yb:YLF wedi'i oeri'n cryogenig sy'n cynhyrchu corbys optegol o hyd 1.2 ps ac egni 50 mJ ar donfedd o 1020 nm a chyfradd ailadrodd o 10 Hz. Ac mae corbys terahertz ag amledd canolog o 0.29 terahertz (cyfnod o 3.44 ps) yn cael eu cynhyrchu gan y dull blaen pwls ar oleddf.
I bweru'r STEAM-buncher (cywasgydd trawst) dim ond 2 x 50 nJ o ynni terahertz a ddefnyddiwyd, ac roedd angen 2 x 15 mJ ar y STEAM-linac (cyflymydd llinol).
Diamedr tyllau mewnfa ac allfa'r ddau ddyfais STEAM yw 120 micron.
Mae'r cywasgydd trawst wedi'i ddylunio gyda thair haen o uchder cyfartal (0 mm), sydd â phlatiau silica ymdoddedig (ϵr = 225) o hyd 4.41 a 0.42 mm i reoli amseriad. Mae uchder cyfartal haenau'r cywasgydd yn adlewyrchu'r ffaith nad oes cyflymiad (2c).
Ond yn y cyflymydd llinellol mae'r uchderau eisoes yn wahanol - 0.225, 0.225 a 0.250 mm (+ platiau cwarts ymdoddedig 0.42 a 0.84 mm). Mae cynnydd yn uchder yr haen yn esbonio'r cynnydd yng nghyflymder electronau yn ystod cyflymiad.
Mae gwyddonwyr yn nodi bod nifer yr haenau yn uniongyrchol gyfrifol am ymarferoldeb pob un o'r ddau ddyfais. Er mwyn cyflawni cyfraddau cyflymu uwch, er enghraifft, byddai angen mwy o haenau a ffurfweddau uchder gwahanol i wneud y gorau o ryngweithio.
Canlyniadau arbrofion ymarferol
Yn gyntaf, mae'r ymchwilwyr yn atgoffa, mewn cyflymyddion amledd radio traddodiadol, bod effaith maint amser y trawst electron wedi'i fewnosod ar briodweddau'r trawst carlam yn ganlyniad i'r newid yn y maes trydan a brofwyd yn ystod rhyngweithio gwahanol electronau o fewn y trawst yn cyrraedd. ar wahanol adegau. Felly, gellir disgwyl y bydd caeau â graddiant uwch a thrawstiau hirach yn arwain at ymlediad ynni mwy. Gall pelydrau chwistrelliad hir hefyd arwain at werthoedd uwch allyriadau *.
Emmitance* — gofod gwedd wedi'i feddiannu gan belydr cyflym o ronynnau wedi'u gwefru.
Yn achos cyflymydd terahertz, mae cyfnod y maes cyffro tua 200 gwaith yn fyrrach. Felly, tensiwn* bydd y maes a gefnogir 10 gwaith yn uwch.
Cryfder maes trydan* - dangosydd o'r maes trydan, sy'n hafal i gymhareb y grym a roddir ar wefr pwynt llonydd a osodir ar bwynt penodol yn y maes i faint y wefr hon.
Felly, mewn cyflymydd terahertz, gall graddiannau maes a brofir gan electronau fod yn sawl gradd o faint yn uwch nag mewn dyfais gonfensiynol. Bydd y raddfa amser y bydd crymedd y cae yn amlwg arni yn sylweddol llai. Mae'n dilyn o hyn y bydd hyd y pelydr electron a gyflwynir yn cael effaith fwy amlwg.
Penderfynodd gwyddonwyr brofi'r damcaniaethau hyn yn ymarferol. I wneud hyn, fe wnaethant gyflwyno trawstiau electron o wahanol gyfnodau, a oedd yn cael eu rheoli trwy gywasgu gan ddefnyddio'r ddyfais STEAM cyntaf (STEAM-buncher).
Delwedd #3
Mewn achos lle nad oedd y cywasgydd wedi'i gysylltu â ffynhonnell pŵer, roedd trawstiau o electronau (55 keV) â gwefr o ∼1 fC (femtocoulomb) yn pasio tua 300 mm o'r gwn electron i'r ddyfais cyflymydd llinellol (STEAM-linac). Gallai'r electronau hyn ehangu o dan ddylanwad grymoedd gwefr gofod hyd at gyfnod o fwy na 1000 fs (femtoeiliadau).
Yn ystod y cyfnod hwn, roedd y pelydr electron yn meddiannu tua 60% o hanner tonfedd y maes cyflymu gydag amledd o 1,7 ps, gan arwain at sbectrwm egni ôl-gyflymiad gydag uchafbwynt o 115 keV a hanner lled y dosbarthiad egni mwy na 60 keV (3).
I gymharu'r canlyniadau hyn â'r rhai a ddisgwylir, efelychwyd sefyllfa lluosogi electronau trwy gyflymydd llinol pan nad oedd yr electronau'n cydamseru â'r amser pigiad gorau posibl (h.y., allan o gysoni). Dangosodd cyfrifiadau o'r sefyllfa hon fod y cynnydd mewn egni electronau yn ddibynnol iawn ar foment y pigiad, i lawr i raddfa amser subpicsecond (3b). Hynny yw, gyda'r gosodiad gorau posibl, bydd yr electron yn profi hanner cylch llawn o gyflymiad ymbelydredd terahertz ym mhob haen (3c).
Os yw'r electronau'n cyrraedd ar wahanol adegau, maen nhw'n profi llai o gyflymiad yn yr haen gyntaf, sy'n gwneud iddyn nhw gymryd mwy o amser i deithio drwyddi. Yna mae'r dadgydamseru yn cynyddu yn yr haenau canlynol, gan achosi arafu diangen (3d).
Er mwyn lleihau effaith negyddol estyniad amserol y trawst electron, gweithredodd y ddyfais STEAM gyntaf yn y modd cywasgu. Cafodd hyd y pelydr electron yn y linac ei optimeiddio i o leiaf ~350 fs (hanner lled) trwy diwnio'r egni terahertz a gyflenwir i'r cywasgydd a newid y modd deor linac (4b).
Delwedd #4
Gosodwyd isafswm hyd y trawst yn unol â hyd curiad UV y ffotocatod, sef ~600 fs. Roedd y pellter rhwng y cywasgydd a'r stribed hefyd yn chwarae rhan bwysig, a oedd yn cyfyngu ar gyflymder y grym tewychu. Gyda'i gilydd, mae'r mesurau hyn yn galluogi cywirdeb femtosecond yng nghyfnod pigiad y cyfnod cyflymu.
Ar y ddelwedd 4 gellir gweld bod lledaeniad egni'r trawst electron cywasgedig ar ôl cyflymiad optimized mewn cyflymydd llinellol yn gostwng ~ 4 gwaith o'i gymharu â'r un heb ei gywasgu. Oherwydd cyflymiad, mae sbectrwm egni'r trawst cywasgedig yn cael ei symud tuag at egni uwch, yn wahanol i'r trawst anghywasgedig. Mae brig y sbectrwm ynni ar ôl cyflymiad tua 115 keV, ac mae'r gynffon egni uchel yn cyrraedd tua 125 keV.
Mae'r ffigurau hyn, yn ôl y datganiad cymedrol o wyddonwyr, yn gofnod cyflymiad newydd (cyn cyflymiad roedd yn 70 keV) yn yr ystod terahertz.
Ond er mwyn lleihau gwasgariad ynni (4), rhaid cyflawni trawst hyd yn oed yn fyrrach.
Delwedd #5
Yn achos trawst heb ei gywasgu, mae dibyniaeth barabolig maint y trawst ar y cerrynt yn datgelu'r allyriad traws yn y cyfarwyddiadau llorweddol a fertigol: εx, n = 1.703 mm * mrad a εy, n = 1.491 mm * mrad (5).
Fe wnaeth cywasgu, yn ei dro, wella'r allyriad traws 6 gwaith i εx, n = 0,285 mm * mrad (llorweddol) a εy,n = 0,246 mm * mrad (fertigol).
Mae'n werth nodi bod graddfa'r gostyngiad mewn allyriadau tua dwywaith mor fawr â graddfa'r gostyngiad hyd y trawst, sy'n fesur o aflinoledd dynameg y rhyngweithio gydag amser pan fydd electronau'n profi ffocws cryf a dadffocwsio'r maes magnetig yn ystod cyflymiad (5b и 5c).
Ar y ddelwedd 5b Gellir gweld bod electronau a gyflwynir ar yr amser gorau posibl yn profi hanner cylch cyfan cyflymiad y maes trydan. Ond mae electronau sy'n cyrraedd cyn neu ar ôl yr amser gorau posibl yn profi llai o gyflymiad a hyd yn oed arafiad rhannol. Mae llai o egni gan electronau o'r fath, yn fras.
Gwelir sefyllfa debyg pan fydd yn agored i faes magnetig. Mae electronau sy'n cael eu chwistrellu ar yr amser gorau posibl yn profi symiau cymesur o feysydd magnetig positif a negyddol. Pe bai electronau'n cael eu cyflwyno cyn yr amser gorau posibl, yna roedd mwy o feysydd positif a llai o rai negyddol. Os cyflwynir electronau yn hwyrach na'r amser optimaidd, bydd llai o bositif a mwy negyddol (5c). Ac mae gwyriadau o'r fath yn arwain at y ffaith y gall yr electron wyro i'r chwith, i'r dde, i fyny neu i lawr, yn dibynnu ar ei safle o'i gymharu â'r echelin, sy'n arwain at gynnydd yn y momentwm traws sy'n cyfateb i ganolbwyntio neu ddadffocysu'r trawst.
I gael adnabyddiaeth fanylach o naws yr astudiaeth, rwy'n argymell edrych arno и iddo fe.
Epilogue
I grynhoi, bydd perfformiad y cyflymydd yn cynyddu os bydd hyd y pelydr electron yn cael ei leihau. Yn y gwaith hwn, roedd hyd y trawst cyraeddadwy wedi'i gyfyngu gan geometreg y gosodiad. Ond, mewn theori, gall hyd y trawst gyrraedd llai na 100 fs.
Mae gwyddonwyr hefyd yn nodi y gellir gwella ansawdd y trawst ymhellach trwy leihau uchder yr haenau a chynyddu eu nifer. Fodd bynnag, nid yw'r dull hwn heb broblemau, yn enwedig cynyddu cymhlethdod gweithgynhyrchu'r ddyfais.
Y gwaith hwn yw cam cychwynnol astudiaeth fwy helaeth a manwl o fersiwn bach o gyflymydd llinol. Er gwaethaf y ffaith bod y fersiwn a brofwyd eisoes yn dangos canlyniadau rhagorol, y gellir eu galw'n dorri record yn gywir, mae llawer o waith i'w wneud o hyd.
Diolch am eich sylw, cadwch yn chwilfrydig a chael wythnos wych pawb! 🙂
Diolch am aros gyda ni. Ydych chi'n hoffi ein herthyglau? Eisiau gweld cynnwys mwy diddorol? Cefnogwch ni trwy osod archeb neu argymell i ffrindiau, Gostyngiad o 30% i ddefnyddwyr Habr ar analog unigryw o weinyddion lefel mynediad, a ddyfeisiwyd gennym ni ar eich cyfer chi: (ar gael gyda RAID1 a RAID10, hyd at 24 craidd a hyd at 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 gwaith yn rhatach? Dim ond yma yn yr Iseldiroedd! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - o $99! Darllenwch am
Ffynhonnell: hab.com