Den velkendte tanke om, at "mere betyder kraftigere", har længe været et etableret princip inden for mange livsområder, herunder videnskab og teknologi. Men i nutidens realiteter ses der stadig oftere praktiske eksempler på ordsproget "lille, men mægtig". Dette ses både i computere, der tidligere fyldte et helt rum, men nu kan være i en børns håndflade, såvel som i acceleratoren for ladede partikler. Ja, husk den store hadron collider (LHC), hvis imponerende dimensioner (26.659 m i længden) bogstaveligt talt er indikeret i navnet? Ifølge forskere fra DESY er dette allerede fortid, da de har udviklet en miniatureversion af acceleratoren, som ikke står tilbage for sin fuldskala forgænger i præstationer. Desuden har den miniature accelerator endda sat en ny verdensrekord blandt terahertzacceleratorer ved at fordoble energien af de indskudte elektroner. Hvordan den miniature accelerator blev udviklet, hvilke grundprincipper den arbejder efter, og hvad praktiske eksperimenter har vist, vil vi lære mere om fra forskergruppens præsentation. Lad os komme i gang.
Basis for undersøgelsen
Ifølge Dongfang Zhang og hans kolleger fra DESY (Tysk Elektron Synchrotron), der har udviklet miniatureacceleratoren, spiller superhurtige elektronkilder en utrolig vigtig rolle i nutidens samfund. Mange af dem er vigtige inden for medicin, elektronikudvikling og videnskabelig forskning. Det største problem med de nuværende linjeacceleratorer, der bruger radiofrekvensgeneratorer, er deres omkostninger, kompleksiteten af infrastrukturen og det store energiforbrug. Disse ulemper begrænser stærkt tilgængeligheden af sådanne teknologier for et bredere publikum.
Disse åbenlyse problemer udgør en fremragende drivkraft for udvikling af enheder, hvis størrelse ikke vil fremkalde rædsel, ligesom niveauet for energiforbrug.
Blandt de relativt nye innovationer inden for dette område kan man fremhæve terahertzacceleratorer, som har en række "fordele":
- det forventes, at de korte bølger og korte impulser af terahertzstråling vil muliggøre en betydelig stigning i tærsklen for gennemtrængning*, forårsaget af feltet, hvilket vil muliggøre en stigning i accelerationsgradienterne;
Elektrisk gennemtrængning* — pludselig stigning i strømstyrken ved anvendelse af spænding over den kritiske værdi.
- Tilstedeværelsen af effektive metoder til generering af højeffekts terahertz stråling muliggør intern synkronisering mellem elektroner og eksitationsfelter;
- Klassiske metoder kan anvendes til at skabe sådanne enheder, men deres omkostninger, produktionstid og størrelse vil blive kraftigt reduceret.
Forskere mener, at deres terahertz accelerator i millimeterstørrelse er et kompromis mellem de almindelige acceleratorer, som findes nu, og mikroacceleratorer, der er under udvikling, men som har mange ulemper på grund af deres meget små dimensioner.
Forskere benægter ikke, at teknologien til terahertz acceleration har været under udvikling i nogen tid. Dog mener de, at der stadig er mange aspekter i dette område, som ikke er blevet studeret, testet eller implementeret.
I deres arbejde, som vi ser på i dag, demonstrerer forskerne mulighederne for STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — den segmenterede terahertz elektronaccelerator og manipulator. STEAM muliggør reduktion af elektronbåndlængden til subpikosekunders varighed, hvilket giver femtosekund kontrol over accelerationsfasen.
Det er lykkedes at opnå et accelerationsfelt på 200 MV/m (MV — megavolt), hvilket resulterer i en rekordstor terahertz acceleration på > 70 keV (kilo-elektronvolt) fra den indsprøjtede elektronbunke med en energi på 55 keV. Således blev der opnået accelererede elektroner op til 125 keV.
Struktur af enheden og dens implementation
Billede nr. 1: diagram over den undersøgte enhed.
Billede nr. 1-2: a — diagram over den udviklede 5-lags segmenterede struktur, b — forholdet mellem den beregnede acceleration og retningen af elektroners udbredelse.
Elektronbundter (55 keV) genereres fra elektronpistolen* og indsprøjtes i terahertz STEAM-buncher (bundtkraftkompressor), hvorefter de går ind i STEAM-linac (linéaracceleratoren*).
Elektronpistolen* — enhed til generering af elektronbundter med den nødvendige konfiguration og energi.
Linéaracceleratoren* — en accelerator, hvor ladede partikler passerer strukturen kun én gang, hvilket adskiller linéaracceleratoren fra cykliske acceleratorer (f.eks. LHC).
Begge STEAM-enheder modtager terahertz-pulser fra en enkelt næroptisk laser (NIR), som også aktiverer fotokathoden i elektronstrålen, hvilket fører til intern synkronisering mellem elektronerne og accelerationsfelterne. Ultraviolet-pulser til fotoemission på fotokathoden genereres gennem to på hinanden følgende faser. GHV* den primære bølgelængde af næroptisk lys. Denne proces omdanner laserpulsen med en bølgelængde på 1020 nm først til 510 nm og derefter til 255 nm.
GHV* (generering af anden optisk harmonisk) — processen med at kombinere fotoner med samme frekvens under interaktion med et ikke-lineært materiale, hvilket fører til dannelse af nye fotoner med dobbelt energi og frekvens samt en halveret bølgelængde.
Den resterende del af NIR-laseren opdeles i 4 stråler, som bruges til at generere fire enkeltcyklus terahertz-pulser ved hjælp af generering af forskellen mellem impulsernes frekvenser.
To terahertz-pulser tilføres derefter hver STEAM-enhed gennem symmetrisk hornstrukturer, der leder terahertz-energien ind i interaktionsområdet tværs over elektronernes udbredelsesretning.
Når elektronerne træder ind i hver STEAM-enhed, udsættes de for elektriske og magnetiske komponenter. Lorentz-kraften*.
Lorentz-kraften* — den kraft, hvormed et elektromagnetisk felt påvirker en ladet partikel.
I dette tilfælde er det det elektriske felt, der er ansvarlig for acceleration og deceleration, mens det magnetiske felt forårsager tværgående afvigelser.
Billede Nr. 2
Som vi ser på billederne 2a og 2b, inden i hver STEAM-enhed er terahertz-strålerne opdelt tværs af tynde metalplader i flere lag af forskellig tykkelse, hvor hvert lag fungerer som en bølgeleder, der transporterer en del af den samlede energi ind i interaktionsområdet. Der er også dielektriske plader i hvert lag for at tilpasse tiden for ankomsten af terahertz- bølgefærd* til elektronernes front.
Bølgefærd* — overfladen, som bølgen har nået.
Begge STEAM-enheder arbejder i elektrisk tilstand, det vil sige på en måde, der producerer overlejring af det elektriske felt og undertrykkelse af det magnetiske felt i midten af interaktionsområdet.
I det første apparat er elektronerne tidsberegnet til at passere gennem nulpunktsområdet* det terahertz-felt, hvor de temporale gradienter af det elektriske felt er maksimale, mens det gennemsnitlige felt er minimalt.
Nulpunktsområdet* er det punkt, hvor der ikke er nogen spænding.
Denne konfiguration medfører acceleration af halen af elektronbunken og deceleration af dens hoved, hvilket resulterer i ballistisk longitudinal fokusering (2a og 2c).
I det andet apparat er synkroniseringen af elektronen og terahertz-strålingen indstillet således, at elektronbunken kun oplever den negative cyklus af det terahertz elektriske felt. Denne konfiguration fører til kontinuerlig acceleration (2b og 2d).
En laser med NIR-udsendelse ligner et kryogenisk kølt Yb:YLF-system, der udsender optiske impulser med en varighed på 1,2 ps og en energi på 50 mJ ved en bølgelængde på 1020 nm og en repetitionsfrekvens på 10 Hz. Terahertz-impulser med en central frekvens på 0,29 terahertz (en periode på 3,44 ps) genereres ved hjælp af impulsens skrå front.
Der blev brugt kun 2 x 50 nJ terahertz energi til at drive STEAM-buncheren (bundtkompressoren), mens der blev krævet 2 x 15 mJ til STEAM-linac (linjeacceleratoren).
Diameteren af ind- og udgangshullerne på begge STEAM-enheder er 120 μm.
Bundtkompressoren er designet med tre lag af samme højde (0.225 mm), der er udstyret med plader af smeltet kvartsglas (ϵr =4.41) med en længde på 0.42 og 0.84 mm for at kontrollere tidsmæssig synkronisering. De ens højde lag af kompressoren afspejler det faktum, at der ikke sker nogen acceleration (2c).
Men i linjeacceleratoren er højderne varierede — 0.225, 0.225 og 0.250 mm (+ smeltet kvartsglasplader 0.42 og 0.84 mm). Den øgede laghøjde forklarer den øgede hastighed af elektronerne under accelerationen.
Forskere bemærker, at antallet af lag direkte påvirker funktionaliteten af hver af de to enheder. For at opnå en højere grad af acceleration kræves for eksempel flere lag og en anden konfiguration af højderne for at optimere interaktionen.
Resultaterne af praktiske eksperimenter
Først og fremmest minder forskerne om, at i traditionelle acceleratorer baseret på radiobølger er indflydelsen af den tidslige længde af den indsatte elektronbundt på egenskaberne af den accelererede bundt relateret til ændringen af det elektriske felt, som opleves under interaktionen af forskellige elektroner inden for bundtet, der ankommer på forskellige tidspunkter. Således kan man antage, at felter med større gradienter og bundter med større længde vil føre til større spredninger af energier. Indsatte bundter med lang varighed kan også føre til højere værdier. emittanser*.
Emittance* — det fasefelt, der optages af den accelererede bundt af ladede partikler.
I tilfælde af en terahertz-accelerator er perioden af det excitationsfelt cirka 200 gange kortere. Følgelig, intensitet* den understøttede feltstyrke vil være 10 gange højere.
Intensitet af det elektriske felt* — en indikator for det elektriske felt, svarende til forholdet mellem kraften, anvendt på en hvilende punktladning, der placeres i et givent punkt i feltet, og størrelse af denne ladning.
Dermed kan feltgradienterne, der opleves af elektronerne i terahertz-acceleratoren, være flere størrelsesordener højere end i en almindelig enhed. Tidsmæssige skala, hvor kurvaturen af feltet er mærkbar, vil samtidig være væsentligt mindre. Dette betyder, at varigheden af den indsatte elektronbundt vil have en mere udtalt indflydelse.
Forskere har praktisk afprøvet de teorier. For dette formål indførte de elektronbundter med forskellig varighed, som blev kontrolleret ved kompression gennem den første STEAM-enhed (STEAM-buncher).
Billede nr. 3
I tilfælde, hvor kompressoren ikke var tilsluttet strømkilden, passerede elektronbundter (55 keV) med en ladning på ∼1 fC (femto-coulomb) cirka 300 mm fra den elektroniske pistol til en enhed for lineær accelerator (STEAM-linac). Disse elektroner kunne udvide sig under indflydelse af rumladningskræfterne op til en varighed af mere end 1000 fs (femtosekunder).
Ved sådan varighed optog den elektroniske bundt cirka 60% af halvbølgelængden af det accelererende felt med en frekvens på 1,7 ps, hvilket resulterede i et energispektrum efter accelerationen med en top ved 115 keV og en halvbredde af energifordelingen på mere end 60 keV.3a).
For comparison of these results with the expected ones, a situation of electron propagation through a linear accelerator was modeled, when the electrons were desynchronized (i.e., not matched) relative to the optimal injection timing. The calculations of such a situation showed that the energy gain of the electrons is highly dependent on the timing of injection, even down to the sub-picosecond time scale (3b). That is, with optimal adjustment, the electron will experience the full half-period of terahertz radiation acceleration in each layer (3c).
If the electrons arrive at different times, then they experience less acceleration in the first layer, which requires them more time to pass through it. Then, the desynchronization is amplified in subsequent layers, resulting in undesirable slowing down (3d).
To minimize the negative effect of the temporal duration of the electron bunch, the first STEAM device operated in compression mode. The duration of the electron bunch in the linear accelerator was optimized to a minimum of ~ 350 fs (full width) by adjusting the terahertz energy supplied to the compressor and switching the linear accelerator to the stroking mode (4b).
Image No. 4
The minimum bunch duration was set according to the duration of the UV pulse of the photocathode, which was ~ 600 fs. The distance between the compressor and the strip also played an important role, limiting the density strength by speed. In combination, these measures allow for femtosecond precision of the phase injection at the acceleration stage.
På billedet 4a It is evident that the energy spread of the compressed electron bunch after optimized acceleration in the linear accelerator decreases by ~ 4 times compared to the uncompressed one. Due to acceleration, the energy spectrum of the compressed bunch shifts towards higher energies, unlike the uncompressed bunch. The peak energy spectrum after acceleration is about 115 keV, and the high-energy tail reaches about 125 keV.
These figures, according to the modest claims of scientists, represent a new record of acceleration (prior to acceleration it was 70 keV) in the terahertz range.
However, to reduce the energy spread (4a), it is necessary to achieve an even shorter bunch.
Billede nr. 5
I tilfælde af et ucompresset inputstråle viser den paraboliske afhængighed af stråledimensioner fra strømmen tværgående emittance i både horisontale og vertikale retninger: εx,n = 1.703 mm*mrad og εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompressionen forbedrede derimod den tværgående emittance med 6 gange til εx,n = 0.285 mm*mrad (horisontal) og εy,n = 0.246 mm*mrad (vertikal).
Det skal bemærkes, at graden af reduktion i emittansen er cirka det dobbelte af graden af forkortelse af strålens varighed, hvilket er et mål for ikke-lineariteten i dynamikken af interaktionen med tiden, når elektronerne oplever stærk fokusering og defokusering af det magnetiske felt under acceleration (5b og 5c).
På billedet 5b det ses, at elektroner, der introduceres på det optimale tidspunkt, oplever hele halvdelen af det elektriske felds accelerationsperiode. Elektroner, der derimod ankommer før eller efter det optimale tidspunkt, oplever mindre acceleration og endda delvis afmatning. Sådanne elektroner får mindre energi, groft sagt.
En lignende situation observeres ved indflydelse af det magnetiske felt. Elektroner, der introduceres på det optimale tidspunkt, oplever et symmetrisk antal positive og negative magnetiske felter. Hvis introduktionen af elektroner blev udført før det optimale tidspunkt, var der flere positive felter og færre negative. I tilfælde af introduktion af elektroner senere end det optimale tidspunkt — færre positive og flere negative (5c). Sådanne afvigelser kan føre til, at elektronen kan afvige til venstre, højre, op eller ned afhængig af dens position i forhold til aksen, hvilket fører til en stigning i den tværgående impuls, der svarer til fokusering eller defokusering af strålen.
For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i og til det.
Epilog
Sammenfattende vil acceleratorens ydeevne stige ved reduktion af varigheden af elektronstrålen. I dette arbejde var den opnåelige varighed af strålen begrænset af geometrien af installationen. Men i teorien kan strålen vare mindre end 100 fs.
Forskere bemærker også, at kvaliteten af strålen kan forbedres yderligere ved at reducere højden af lagene og øge deres antal. Men denne metode er ikke uden problemer, især med hensyn til at øge kompleksiteten ved produktionen af enheden.
Dette arbejde er det indledende trin i en mere omfattende og detaljeret undersøgelse af den miniature version af den linære accelerator. Selvom den testede version allerede viser fremragende resultater, som man med rette kan kalde rekordstore, er der stadig meget arbejde tilbage.
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige og hav en god arbejdsuge, alle sammen! 🙂
Tak fordi du er med os. Kan du lide vores artikler? Vil du se flere interessante materialer? Støt os ved at lave en bestilling eller anbefale os til dine bekendte. 30% rabat til brugere af Habr på en unik entry-level server, som vi har opfundet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd er 2 gange billigere? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
