Det velkendte princip om "mere er mere magtfuldt" har længe været etableret i mange sektorer af samfundet, herunder videnskab og teknologi. Men i moderne virkeligheder bliver den praktiske implementering af ordsproget "lille, men mægtig" mere og mere almindelig. Dette kommer til udtryk både i computere, som tidligere optog et helt rum, men nu passer i håndfladen på et barn, og i ladede partikelacceleratorer. Ja, husker du Large Hadron Collider (LHC), hvis imponerende dimensioner (26 m i længden) bogstaveligt talt er angivet i navnet? Så dette er allerede fortid ifølge forskere fra DESY, som har udviklet en miniatureversion af acceleratoren, som ikke er ringere i ydeevne end dens forgænger i fuld størrelse. Desuden satte miniacceleratoren endda en ny verdensrekord blandt terahertz-acceleratorer, hvilket fordoblede energien af de indlejrede elektroner. Hvordan blev miniatureacceleratoren udviklet, hvad er de grundlæggende principper for dens drift, og hvad har praktiske eksperimenter vist? Forskergruppens rapport vil hjælpe os med at finde ud af dette. Gå.
Forskningsgrundlag
Ifølge Dongfang Zhang og hans kolleger hos DESY (tysk elektronsynkrotron), som udviklede miniacceleratoren, spiller ultrahurtige elektronkilder en utrolig vigtig rolle i det moderne samfunds liv. Mange af dem optræder inden for medicin, elektronikudvikling og videnskabelig forskning. Det største problem med nuværende lineære acceleratorer, der bruger radiofrekvensoscillatorer, er deres høje omkostninger, komplekse infrastruktur og imponerende strømforbrug. Og sådanne mangler begrænser i høj grad tilgængeligheden af sådanne teknologier til en bredere vifte af brugere.
Disse åbenlyse problemer er et stort incitament til at udvikle enheder, hvis størrelse og strømforbrug ikke vil forårsage rædsel.
Blandt de relative nyheder i denne industri er terahertz-acceleratorer, som har en række "fordele":
- Det forventes, at korte bølger og korte pulser af terahertz-stråling vil øge tærsklen markant sammenbrud*, forårsaget af feltet, hvilket vil øge accelerationsgradienter;
Elektrisk nedbrud* - en kraftig stigning i strømstyrken, når der påføres en spænding over kritisk.
- tilstedeværelsen af effektive metoder til at generere højfelt terahertz-stråling muliggør intern synkronisering mellem elektroner og excitationsfelter;
- Klassiske metoder kan bruges til at skabe sådanne enheder, men deres omkostninger, produktionstid og størrelse vil blive stærkt reduceret.
Forskere mener, at deres millimeterskala terahertz-accelerator er et kompromis mellem konventionelle acceleratorer, der er tilgængelige i øjeblikket, og mikro-acceleratorer, der er under udvikling, men har mange ulemper på grund af deres meget små dimensioner.
Forskere benægter ikke, at terahertz accelerationsteknologi har været under udvikling i nogen tid. Men efter deres mening er der stadig mange aspekter på dette område, som ikke er blevet undersøgt, testet eller implementeret.
I deres arbejde, som vi overvejer i dag, demonstrerer videnskabsmænd STEAMs (segmenteret terahertz elektronaccelerator og manipulator) - en segmenteret terahertz elektronaccelerator og manipulator. STEAM gør det muligt at reducere længden af elektronstrålen til varighed under picosekunder og giver derved femtosekund kontrol over accelerationsfasen.
Det var muligt at opnå et accelerationsfelt på 200 MV/m (MV - megavolt), hvilket fører til en rekord terahertz-acceleration på > 70 keV (kiloeelektronvolt) fra den indlejrede elektronstråle med en energi på 55 keV. På denne måde blev der opnået accelererede elektroner op til 125 keV.
Enhedsstruktur og implementering
Billede nr. 1: diagram af enheden under undersøgelse.
Billede nr. 1-2: a - diagram af den udviklede 5-lags segmenterede struktur, b - forholdet mellem den beregnede acceleration og retning af elektronudbredelse.
Elektronstråler (55 keV) genereres fra elektronkanon* og indføres i terahertz STEAM-buncher (strålekompressor), hvorefter de passerer ind i STEAM-linac (lineær accelerator*).
Elektronpistol* — en anordning til generering af en elektronstråle med den krævede konfiguration og energi.
Lineær accelerator* - en accelerator, hvor ladede partikler kun passerer gennem strukturen én gang, hvilket adskiller en lineær accelerator fra en cyklisk (for eksempel LHC).
Begge STEAM-enheder modtager terahertz-impulser fra en enkelt nær-infrarød (NIR) laser, som også affyrer elektronkanonens fotokatode, hvilket resulterer i intern synkronisering mellem elektroner og accelererende felter. Ultraviolette pulser til fotoemission ved fotokatoden genereres gennem to på hinanden følgende trin GVG* grundlæggende bølgelængde af nær-infrarødt lys. Denne proces konverterer en 1020 nm laserpuls først til 510 nm og derefter til 255 nm.
GVG* (optisk anden harmonisk generation) er processen med at kombinere fotoner af samme frekvens under interaktion med et ikke-lineært materiale, hvilket fører til dannelsen af nye fotoner med dobbelt energi og frekvens, samt halvdelen af bølgelængden.
Resten af NIR-laserstrålen er opdelt i 4 stråler, som bruges til at generere fire enkelt-cyklus terahertz-impulser ved at generere intra-puls-frekvensforskelle.
De to terahertz-impulser leveres derefter til hver STEAM-enhed gennem symmetriske hornstrukturer, der leder terahertz-energien ind i interaktionsområdet på tværs af elektronudbredelsens retning.
Når elektroner kommer ind i hver STEAM-enhed, udsættes de for elektriske og magnetiske komponenter Lorentz styrker*.
Lorentz kraft* - den kraft, hvormed det elektromagnetiske felt virker på en ladet partikel.
I dette tilfælde er det elektriske felt ansvarlig for acceleration og deceleration, og magnetfeltet forårsager laterale afbøjninger.
Billede #2
Som vi ser på billederne 2a и 2b, Inde i hver STEAM-enhed er terahertz-strålerne opdelt på tværs af tynde metalplader i flere lag af varierende tykkelse, som hver især fungerer som en bølgeleder, der overfører en del af den samlede energi til interaktionsområdet. Der er også dielektriske plader i hvert lag for at koordinere ankomsttiden for terahertz bølge foran* med forsiden af elektroner.
Bølgefront* - overfladen, hvortil bølgen er nået.
Begge STEAM-enheder fungerer i elektrisk tilstand, det vil sige på en sådan måde, at de påfører et elektrisk felt og undertrykker et magnetfelt i midten af interaktionsområdet.
I den første enhed er elektroner timet til at passere igennem nul kryds* terahertz-felt, hvor tidsgradienter af det elektriske felt er maksimeret, og det gennemsnitlige felt minimeres.
Nul kryds* - et punkt, hvor der ikke er spændinger.
Denne konfiguration får elektronstrålens hale til at accelerere og dens hoved til at decelerere, hvilket resulterer i ballistisk langsgående fokusering (2a и 2 с).
I den anden enhed er synkroniseringen af elektron- og terahertz-strålingen indstillet således, at elektronstrålen kun oplever en negativ cyklus af det terahertz-elektriske felt. Denne konfiguration resulterer i en netto kontinuerlig acceleration (2b и 2d).
NIR-laseren er et kryogenisk afkølet Yb:YLF-system, der producerer optiske impulser på 1.2 ps varighed og 50 mJ energi ved en bølgelængde på 1020 nm og en gentagelseshastighed på 10 Hz. Og terahertz-impulser med en central frekvens på 0.29 terahertz (periode på 3.44 ps) genereres af den skrå pulsfront-metode.
Til at drive STEAM-buncheren (strålekompressoren) blev der kun brugt 2 x 50 nJ terahertz-energi, og STEAM-linac (lineær accelerator) krævede 2 x 15 mJ.
Diameteren af indløbs- og udløbshullerne på begge STEAM-enheder er 120 mikron.
Strålekompressoren er designet med tre lag af samme højde (0 mm), som er udstyret med smeltede silicaplader (ϵr = 225) med længden 4.41 og 0.42 mm for at styre timingen. De lige store højder af kompressorlagene afspejler det faktum, at der ikke er nogen acceleration (2 с).
Men i den lineære accelerator er højderne allerede forskellige - 0.225, 0.225 og 0.250 mm (+ smeltede kvartsplader 0.42 og 0.84 mm). En stigning i lagets højde forklarer stigningen i elektronernes hastighed under acceleration.
Forskere bemærker, at antallet af lag er direkte ansvarlig for funktionaliteten af hver af de to enheder. At opnå højere accelerationshastigheder ville for eksempel kræve flere lag og forskellige højdekonfigurationer for at optimere interaktionen.
Resultater af praktiske forsøg
For det første minder forskerne om, at i traditionelle radiofrekvensacceleratorer skyldes virkningen af den indlejrede elektronstråles tidsmæssige udstrækning på egenskaberne af den accelererede stråle ændringen i det elektriske felt, der opleves under interaktionen mellem forskellige elektroner inden i strålen, der ankommer. på forskellige tidspunkter. Det kan således forventes, at felter med højere gradienter og bjælker med længere varighed vil føre til en større energispredning. Injicerede stråler af lang varighed kan også føre til højere værdier emissioner*.
Emission* — faserum optaget af en accelereret stråle af ladede partikler.
I tilfælde af en terahertz-accelerator er excitationsfeltets periode cirka 200 gange kortere. Derfor, spænding* det understøttede felt vil være 10 gange højere.
Elektrisk feltstyrke* - en indikator for det elektriske felt, svarende til forholdet mellem kraften påført til en stationær punktladning placeret i et givet punkt i feltet og størrelsen af denne ladning.
I en terahertz-accelerator kan feltgradienterne, der opleves af elektroner, være flere størrelsesordener højere end i en konventionel enhed. Den tidsskala, hvor feltkrumningen er mærkbar, vil være væsentligt mindre. Det følger heraf, at varigheden af den indførte elektronstråle vil have en mere udtalt effekt.
Forskere besluttede at teste disse teorier i praksis. For at gøre dette introducerede de elektronstråler af forskellig varighed, som blev styret ved komprimering ved hjælp af den første STEAM-enhed (STEAM-buncher).
Billede #3
I det tilfælde, hvor kompressoren ikke var forbundet til en strømkilde, passerede stråler af elektroner (55 keV) med en ladning på ~1 fC (femtoculomb) ca. 300 mm fra elektronkanonen til den lineære acceleratoranordning (STEAM-linac). Disse elektroner kan udvide sig under indflydelse af rumladningskræfter op til en varighed på mere end 1000 fs (femtosekunder).
Ved denne varighed optog elektronstrålen omkring 60 % af accelerationsfeltets halve bølgelængde med en frekvens på 1,7 ps, hvilket resulterede i et post-accelerationsenergispektrum med en top på 115 keV og en halv bredde af energifordelingen større end 60 keV (3a).
For at sammenligne disse resultater med de forventede, blev situationen for elektronudbredelse gennem en lineær accelerator simuleret, når elektronerne var ude af sync med (dvs. ude af sync med) den optimale injektionstid. Beregninger af denne situation viste, at stigningen i elektronenergi er meget afhængig af injektionsmomentet, ned til en subpicosecond tidsskala (3b). Det vil sige, med en optimal indstilling vil elektronen opleve en hel halvcyklus af terahertz-strålingsacceleration i hvert lag (3 с).
Hvis elektronerne ankommer på forskellige tidspunkter, oplever de mindre acceleration i det første lag, hvilket gør, at de tager længere tid om at rejse igennem det. Desynkroniseringen øges derefter i de følgende lag, hvilket forårsager uønsket opbremsning (3d).
For at minimere den negative effekt af den tidsmæssige forlængelse af elektronstrålen, fungerede den første STEAM-enhed i kompressionstilstand. Elektronstrålevarigheden ved linacen blev optimeret til et minimum på ~350 fs (halv bredde) ved at indstille terahertz-energien tilført til kompressoren og skifte linac til skraveringstilstand (4b).
Billede #4
Den mindste strålevarighed blev indstillet i overensstemmelse med varigheden af fotokatode-UV-impulsen, som var ~600 fs. Afstanden mellem kompressoren og båndet spillede også en vigtig rolle, hvilket begrænsede fortykkelseskraftens hastighed. Tilsammen muliggør disse foranstaltninger femtosekund-præcision i accelerationsfasens injektionsfase.
På billedet 4a det kan ses, at energispredningen af den komprimerede elektronstråle efter optimeret acceleration i en lineær accelerator falder med ~ 4 gange i forhold til den ukomprimerede. På grund af acceleration forskydes energispektret af den komprimerede stråle mod højere energier, i modsætning til den ukomprimerede stråle. Toppen af energispektret efter acceleration er omkring 115 keV, og den højenergiske hale når omkring 125 keV.
Disse tal er ifølge videnskabsmænds beskedne udsagn en ny accelerationsrekord (før acceleration var den 70 keV) i terahertz-området.
Men for at reducere energispredning (4a), skal der opnås en endnu kortere stråle.
Billede #5
I tilfælde af en ukomprimeret indført stråle afslører den parabolske afhængighed af strålestørrelsen af strømmen den tværgående emittans i horisontal og vertikal retning: εx,n = 1.703 mm*mrad og εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompression forbedrede på sin side den tværgående emittans med 6 gange til εx,n = 0,285 mm*mrad (vandret) og εy,n = 0,246 mm*mrad (lodret).
Det er værd at bemærke, at graden af emissionsreduktion er cirka dobbelt så stor som graden af reduktion af strålevarighed, som er et mål for ikke-lineariteten af interaktionsdynamikken med tiden, når elektroner oplever stærk fokusering og defokusering af magnetfeltet under acceleration (5b и 5 с).
På billedet 5b Det kan ses, at elektroner introduceret på det optimale tidspunkt oplever hele halvcyklussen af det elektriske felts acceleration. Men elektroner, der ankommer før eller efter det optimale tidspunkt, oplever mindre acceleration og endda delvis deceleration. Sådanne elektroner ender groft sagt med mindre energi.
En lignende situation observeres, når den udsættes for et magnetfelt. Elektroner injiceret på det optimale tidspunkt oplever symmetriske mængder af positive og negative magnetfelter. Hvis introduktionen af elektroner skete før det optimale tidspunkt, så var der flere positive felter og færre negative. Hvis elektroner indføres senere end det optimale tidspunkt, vil der være færre positive og flere negative (5 с). Og sådanne afvigelser fører til, at elektronen kan afvige til venstre, højre, op eller ned, afhængigt af dens position i forhold til aksen, hvilket fører til en stigning i det tværgående momentum svarende til fokusering eller defokusering af strålen.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på и til ham.
Epilog
Sammenfattende vil acceleratorens ydeevne øges, hvis varigheden af elektronstrålen reduceres. I dette arbejde var den opnåelige strålevarighed begrænset af installationens geometri. Men i teorien kan strålevarigheden nå mindre end 100 fs.
Forskere bemærker også, at kvaliteten af strålen kan forbedres yderligere ved at reducere lagenes højde og øge deres antal. Denne metode er imidlertid ikke uden problemer, især øger kompleksiteten af fremstillingen af enheden.
Dette arbejde er den indledende fase af en mere omfattende og detaljeret undersøgelse af en miniatureversion af en lineær accelerator. På trods af at den testede version allerede viser fremragende resultater, som med rette kan kaldes rekordstore, er der stadig meget arbejde at gøre.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com