Das Prinzip âje mehr, desto stĂ€rkerâ, das uns vertraut ist, hat sich seit langem in vielen Lebensbereichen, einschlieĂlich Wissenschaft und Technologie, etabliert. Doch in der modernen RealitĂ€t begegnen wir immer hĂ€ufiger der praktischen Umsetzung des Sprichworts âklein, aber ohoâ. Dies zeigt sich sowohl bei Computern, die frĂŒher ganze RĂ€ume einnahmen und heute in die Hand eines Kindes passen, als auch bei Teilchenbeschleunigern. Ja, erinnern Sie sich an den groĂen Hadronen-Speicherring (LHC), dessen beeindruckende Dimensionen (26.659 m lang) bereits im Namen verankert sind? Wissenschaftler des DESY-Instituts halten das fĂŒr vergangen, denn sie haben eine Miniaturversion des Beschleunigers entwickelt, die in den Leistungsbewertungen ihrem vollwertigen VorgĂ€nger in nichts nachsteht. DarĂŒber hinaus hat der Mini-Beschleuniger sogar einen neuen Weltrekord unter Terahertz-Beschleunigern aufgestellt, indem er die Energie der eingebrachten Elektronen verdoppelt hat. Wie wurde dieser Mini-Beschleuniger entwickelt, welche grundlegenden Prinzipien bestimmen sein Funktionieren und was haben praktische Experimente ergeben? Ein Bericht der Forschungsgruppe wird uns dabei helfen, diese Fragen zu beantworten. Lassen Sie uns starten.
Grundlage der Forschung
Laut Dongfang Zhang und seinem Team vom DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), die den Mini-Beschleuniger entwickelt haben, spielen ultraschnelle Elektronenquellen eine unglaublich wichtige Rolle im Leben der modernen Gesellschaft. Viele ihrer Anwendungen finden sich in der Medizin, der Elektronikentwicklung und in wissenschaftlichen Forschungen. Die gröĂte Herausforderung der derzeitigen linearen Beschleuniger, die Hochfrequenzgeneratoren nutzen, ist ihre Kosten, die KomplexitĂ€t der Infrastruktur und der betrĂ€chtliche Energiebedarf. Diese Nachteile schrĂ€nken die VerfĂŒgbarkeit solcher Technologien fĂŒr ein breiteres Nutzerfeld erheblich ein.
Diese offensichtlichen Probleme bieten einen hervorragenden Anreiz fĂŒr die Entwicklung von GerĂ€ten, deren GröĂen nicht abschreckend sind, ebenso wie der Energiebedarf.
Zu den relativ neuen Entwicklungen in diesem Bereich gehören Terahertz-Beschleuniger, die eine Reihe von Vorteilen bieten:
- Es wird erwartet, dass kurze Wellen und kurze Impulse von Terahertz-Strahlung den Durchschlagspunkt erheblich erhöhen der durch das Feld verursacht wird, was die Beschleunigungsgradienten erhöhen ermöglicht;, verursacht durch das Feld, das die Gradienten der Beschleunigung erhöhen ermöglicht;
Elektrischer Durchschlag* â plötzlicher Anstieg der StromstĂ€rke bei Anlegen einer Spannung, die ĂŒber dem kritischen Wert liegt.
- Die VerfĂŒgbarkeit effektiver Methoden zur Erzeugung von Hochfeld-Terahertzstrahlung ermöglicht die interne Synchronisation zwischen Elektronen und Anregungsfeldern;
- FĂŒr die Herstellung solcher GerĂ€te können klassische Methoden verwendet werden, jedoch werden deren Kosten, Produktionszeit und Abmessungen erheblich reduziert.
Wissenschaftler glauben, dass ihr Terahertz-Beschleuniger im MillimetermaĂstab einen Kompromiss zwischen herkömmlichen Beschleunigern, die derzeit existieren, und Mikro-Beschleunigern darstellt, die zwar entwickelt werden, aber aufgrund ihrer sehr kleinen Abmessungen zahlreiche Nachteile aufweisen.
Die Forscher bestreiten nicht, dass die Technologie des Terahertz-Beschleunigens bereits seit einiger Zeit in Entwicklung ist. Ihrer Meinung nach gibt es jedoch in diesem Bereich noch viele Aspekte, die nicht untersucht, geprĂŒft oder realisiert wurden.
In ihrem Werk, das wir heute betrachten, zeigen die Wissenschaftler die Möglichkeiten von STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) â segmentierter Terahertz-Elektronenbeschleuniger und Manipulator. STEAM ermöglicht es, die Elektronenstrahlung auf subpikosekundenlange Dauer zu verkĂŒrzen und somit femtosekundengenauen KontrollĂŒber den Beschleunigungsphase zu gewĂ€hrleisten.
Es wurde ein Beschleunigungsfeld von 200 MV/m (MV â Megavolt) erreicht, was zu einer rekordverdĂ€chtigen Terahertz-Beschleunigung von > 70 keV (Kiloelektronenvolt) des injizierten Elektronenstrahls mit einer Energie von 55 keV fĂŒhrt. Dadurch konnten beschleunigte Elektronen bis zu 125 keV erzeugt werden.
Die Struktur des GerÀts und seine Implementierung
Abbildung Nr. 1: Schema des untersuchten GerÀts.
Abbildung Nr. 1-2: a â Schema der entwickelten 5-schichtigen segmentierten Struktur, b â VerhĂ€ltnis von berechneter Beschleunigung und Richtung der Elektronenbewegung.
Elektronenstrahlen (55 keV) werden aus einer Elektronenkanone* generiert und in den Terahertz STEAM-Buncher (Strahlkompressor) injiziert, woraufhin sie in den STEAM-Linac gehen (linearen Beschleuniger*).
Elektronenkanone* â GerĂ€t zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit der benötigten Konfiguration und Energie.
linearer Beschleuniger* â ein linearer Beschleuniger, bei dem geladene Teilchen die Struktur nur einmal durchlaufen, was ihn von einem zirkularen Beschleuniger (z. B. LHC) unterscheidet.
Beide STEAM-GerĂ€te erhalten Terahertz-Pulse von einem nahe-infraroten Laser (NIR), der auch den Photokathoden der Elektronenkanone aktiviert, was zu einer internen Synchronisation zwischen Elektronen und den beschleunigenden Feldern fĂŒhrt. Ultraviolette Impulse fĂŒr die Photoemission auf der Photokathode werden durch zwei aufeinanderfolgende Stufen erzeugt. HVG* HauptwellenlĂ€nge des nahe-infraroten Lichts. Dieser Prozess verĂ€ndert den Laserimpuls von 1020 nm zuerst in 510 nm und dann in 255 nm.
HVG* (Erzeugung der zweiten optischen Harmonischen) â ein Prozess, bei dem Photonen mit gleicher Frequenz wĂ€hrend der Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Material kombiniert werden, wodurch neue Photonen mit verdoppelter Energie und Frequenz sowie halbierter WellenlĂ€nge entstehen.
Der verbleibende Teil des NIR-Lasers wird in 4 Strahlen aufgeteilt, die zur Erzeugung von vier Einzelzyklus-Terahertzimpulsen verwendet werden, indem die Differenz der inneren Impulsfrequenzen erzeugt wird.
Zwei Terahertzimpulse gelangen dann ĂŒber symmetrische Hornstrukturen in jedes STEAM-GerĂ€t, welche die Terahertzenergie in den Interaktionsbereich leiten, quer zur Richtung der elektronischen Ausbreitung.
Wenn die Elektronen in jedes der STEAM-GerÀte eintreten, sind sie den elektrischen und magnetischen Komponenten ausgesetzt. Lorenzkraft*.
Lorenzkraft* â die Kraft, mit der das elektromagnetische Feld auf ein geladenes Teilchen wirkt.
In diesem Fall ist das elektrische Feld fĂŒr die Beschleunigung und Verzögerung verantwortlich, wĂ€hrend das magnetische Feld querabweichende Effekte hervorruft.
Abbildung Nr. 2
Wie wir auf den Bildern sehen können, 2a und 2bwerden innerhalb jedes STEAM-GerĂ€ts die Terahertzstrahlen quer durch dĂŒnne Metallschichten in mehreren Schichten unterschiedlicher Dicke getrennt, wobei jede Schicht als Wellenleiter fungiert, der einen Teil der Gesamternergie in den Interaktionsbereich transportiert. Zudem sind in jeder Schicht die dielektrischen Platten vorhanden, um die Ankunftszeit der terahertz Wellenfront* mit der Front der Elektronen abzustimmen.
Wellenfront* â die FlĂ€che, die die Welle erreicht hat.
Beide STEAM-GerĂ€te arbeiten im elektrischen Modus, das heiĂt, sie erzeugen ein elektrisches Feld und unterdrĂŒcken das magnetische Feld im Zentrum des Interaktionsbereichs.
Im ersten GerÀt sind die Elektronen zeitlich so abgestimmt, dass sie durch den Nullpunkt* des Terahertzfeldes bewegen, wo die zeitlichen Gradienten des elektrischen Feldes maximiert und das durchschnittliche Feld minimiert sind.
Der Nullpunkt* ist der Punkt, an dem keine Spannung vorhanden ist.
Diese Konfiguration fĂŒhrt zur Beschleunigung des Schwanzes des Elektronenstrahls und zur Verlangsamung seines Kopfes, was zu einer ballistischen longitudinalen Fokussierung fĂŒhrt (2a und 2s).
Im zweiten GerĂ€t wird die Synchronisation zwischen Elektron und Terahertzstrahlung so eingestellt, dass der Elektronenstrahl nur den negativen Zyklus des terahertzlichen elektrischen Feldes erfĂ€hrt. Diese Konfiguration fĂŒhrt zu einer reinen kontinuierlichen Beschleunigung (2b und 2d).
Ein NIR-Laser Ă€hnelt einem kryogen gekĂŒhlten Yb:YLF-System, das optische Impulse mit einer Dauer von 1,2 ps und einer Energie von 50 mJ bei einer WellenlĂ€nge von 1020 nm und einer Wiederholfrequenz von 10 Hz ausgibt. Terahertzimpulse mit einer zentralen Frequenz von 0,29 Terahertz (Periodendauer von 3,44 ps) werden durch die Methode der schrĂ€gen Impulsfront erzeugt.
FĂŒr die Stromversorgung des STEAM-Bunchers (Strahlkompressor) wurden lediglich 2 x 50 nJ terahertzenergetische Energie verwendet, wĂ€hrend der STEAM-Linac (linearer Beschleuniger) 2 x 15 mJ benötigte.
Der Durchmesser der Ein- und Auslassöffnungen beider STEAM-GerÀte betrÀgt 120 ”m.
Der Strahlkompressor wurde mit drei Schichten gleicher Höhe (0,225 mm) entworfen, die mit Platten aus geschmolzenem Quarz (Ï”r = 4,41) von 0,42 und 0,84 mm fĂŒr die zeitliche Synchronisierung ausgestattet sind. Die gleichen Höhen der Kompressor-Schichten spiegeln wider, dass keine Beschleunigung stattfindet (2s).
Im linearen Beschleuniger unterscheiden sich die Höhen bereits â 0,225, 0,225 und 0,250 mm (+ Platten aus geschmolzenem Quarz 0,42 und 0,84 mm). Die Erhöhung der Schichthöhe erklĂ€rt die Steigerung der Elektronengeschwindigkeit beim Beschleunigen.
Wissenschaftler weisen darauf hin, dass die Anzahl der Schichten direkt die FunktionalitÀt beider GerÀte beeinflusst. Um eine höhere Beschleunigung zu erreichen, sind beispielsweise mehr Schichten und eine andere Höhenkonfiguration erforderlich, um die Wechselwirkung zu optimieren.
Ergebnisse praktischer Experimente
ZunĂ€chst erinnern die Forscher daran, dass bei traditionellen Beschleunigern auf Basis von Radiowellen die Auswirkung der zeitlichen Ausdehnung des eingespeisten Elektronenstrahls auf die Eigenschaften des beschleunigten Strahls mit der Ănderung des elektrischen Feldes zusammenhĂ€ngt, dem verschiedene Elektronen im Strahl zu unterschiedlichen Zeitpunkten wĂ€hrend der Wechselwirkung ausgesetzt sind. Daher kann angenommen werden, dass Felder mit höheren Gradienten und Strahlen mit lĂ€ngerer Dauer zu einer gröĂeren Streuung der Energien fĂŒhren. Eingespeiste Strahlen groĂer Dauer können ebenfalls zu höheren Werten fĂŒhren. Emitanz*.
Emitanz* â der Phasenraum, den der beschleunigte Strahl geladener Partikel einnimmt.
Im Fall des Terahertz-Beschleunigers ist die Periode des Anregungsfelds etwa 200 Mal kĂŒrzer. Folglich wird die FeldstĂ€rke* der unterstĂŒtzten Felder zehnmal höher sein.
Die elektrische FeldstĂ€rke* â ist ein MaĂ fĂŒr das elektrische Feld und gleich dem VerhĂ€ltnis der Kraft, die auf eine ruhende Punktladung angewendet wird, die sich an einem bestimmten Punkt im Feld befindet, zu der GröĂe dieser Ladung.
In einem Terahertz-Beschleuniger können die Feldgradienten, die die Elektronen erfahren, daher um mehrere GröĂenordnungen höher sein als in herkömmlichen GerĂ€ten. Der zeitliche MaĂstab, in dem die KrĂŒmmung des Feldes bemerkbar ist, wird dabei deutlich geringer sein. Dies bedeutet, dass die Dauer des eingefĂŒhrten Elektronenstrahls einen deutlich stĂ€rkeren Einfluss haben wird.
Wissenschaftler haben die Theorie praktisch getestet. Dazu fĂŒhrten sie Elektronenstrahlen unterschiedlicher Dauer ein, die durch Kompression mit dem ersten STEAM-GerĂ€t (STEAM-Buncher) kontrolliert wurden.
Abbildung Nr. 3
Wenn der Kompressor nicht an eine Stromquelle angeschlossen war, passierten Elektronenstrahlen (55 kV) mit einer Ladung von âŒ1 fC (Femtokoulomb) etwa 300 mm von der Elektronenkanone bis zum linear Beschleuniger (STEAM-linac). Diese Elektronen konnten sich unter dem Einfluss der KrĂ€fte des Raumladungsfeldes auf ĂŒber 1000 fs (Femtosekunden) ausdehnen.
Bei einer solchen Dauer befand sich der Elektronenstrahl etwa 60 % der Halbperiode des Beschleunigungsfeldes mit einer Frequenz von 1,7 ps, was zu einem energetischen Spektrum nach der Beschleunigung mit einem Maximum bei 115 keV und einer Halbwertsbreite der Energieverteilung von mehr als 60 keV fĂŒhrte (3a).
Um diese Ergebnisse mit den erwarteten zu vergleichen, wurde die Situation der Elektronenstreuung durch einen linearen Beschleuniger modelliert, wobei die Elektronen in Bezug auf den optimalen Einschaltzeitpunkt des Beschleunigungsfeldes nicht synchronisiert waren. Berechnungen dieser Situation zeigten, dass der Energieanstieg der Elektronen stark vom Timing abhĂ€ngt, bis hin zu subpikosekundenzeitlichen Skalen (3b). Das heiĂt, bei optimaler Einstellung erfĂ€hrt das Elektron die volle Halbperiode der Beschleunigung des Terahertzstrahlung in jeder Schicht (3s).
Wenn jedoch die Elektronen zu unterschiedlichen Zeiten ankommen, erfahren sie im ersten Layer eine geringere Beschleunigung, wodurch sie mehr Zeit benötigen, um ihn zu durchlaufen. AnschlieĂend verstĂ€rkt sich die Entsynchronisation in den folgenden Schichten, was zu einer unerwĂŒnschten Verzögerung fĂŒhrt (3d).
Um die negativen Auswirkungen der temporalen VerlÀngerung des Elektronenstrahls zu minimieren, arbeitete das erste STEAM-GerÀt im Kompressionsmodus. Die Dauer des Elektronenstrahls im Linearbeschleuniger wurde auf ein Minimum von ca. 350 fs (Halbwertsbreite) optimiert, indem die Terahertz-Energie, die an den Kompressor angelegt wurde, eingestellt und der Linearbeschleuniger in den Strichmodus geschaltet wurde.4b).
Bild Nr. 4
Die minimale Strahldauer wurde in Ăbereinstimmung mit der Dauer des UV-Pulses des Photokatalysators festgelegt, dessen Dauer ca. 600 fs betrug. Auch der Abstand zwischen dem Kompressor und dem Strahl spielte eine wichtige Rolle, da er die VerdichtungsstĂ€rke in Bezug auf die Geschwindigkeit begrenzte. Insgesamt ermöglichen diese MaĂnahmen eine femtosekunden-genaue PhaseneinfĂŒhrung in der Beschleunigungsphase.
Im Bild 4a Es ist sichtbar, dass die Streuung der Energie des komprimierten Elektronenstrahls nach der optimierten Beschleunigung in einem Linearbeschleuniger etwa um das 4-fache im Vergleich zu unkomprimierten Strahlen reduziert wird. Durch die Beschleunigung verschiebt sich das Energiespektrum des komprimierten Strahls in Richtung höherer Energien, im Gegensatz zum unkomprimierten Strahl. Der Peak des Energiespektrums nach der Beschleunigung liegt bei etwa 115 keV, wÀhrend der Hochenergie-Schwanz etwa 125 keV erreicht.
Diese Werte stellen, so die bescheidene Aussage der Wissenschaftler, einen neuen Rekord fĂŒr die Beschleunigung (vor der Beschleunigung waren es 70 keV) im Terahertz-Bereich dar.
Um jedoch die Energie-Streuung zu reduzieren (4a), muss ein noch kĂŒrzerer Strahl erreicht werden.
Bild Nr. 5
Im Fall des unkomprimierten eingefĂŒhrten Strahls zeigt die parabolische AbhĂ€ngigkeit der StrahlgröĂe vom Strom den transversalen Emittanz in horizontaler und vertikaler Richtung: Δx,n = 1,703 mm*mrad und Δy,n = 1,491 mm*mrad (5a).
Die Komprimierung verbesserte wiederum den transversalen Emittanz um das 6-fache auf Δx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) und Δy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Es ist erwĂ€hnenswert, dass das MaĂ der Emissionsreduktion etwa doppelt so stark ist wie das MaĂ der VerkĂŒrzung der BĂŒndeldauer, was ein Ausdruck der NichtlinearitĂ€t der Wechselwirkung ĂŒber die Zeit ist, wenn Elektronen einer starken Fokussierung und Defokussierung des Magnetfeldes wĂ€hrend der Beschleunigung unterliegen (5b und 5c).
Im Bild 5b es ist zu sehen, dass Elektronen, die zum optimalen Zeitpunkt eingefĂŒhrt werden, die gesamte Halbperiode der Beschleunigung des elektrischen Feldes erleben. Im Gegensatz dazu erfahren Elektronen, die vor oder nach dem optimalen Zeitpunkt ankommen, eine geringere Beschleunigung und sogar eine teilweise Verzögerung. Diese Elektronen erhalten dadurch weniger Energie, grob gesagt.
Eine Ă€hnliche Situation zeigt sich auch unter dem Einfluss eines Magnetfeldes. Elektronen, die zum optimalen Zeitpunkt eingefĂŒhrt werden, erfahren eine symmetrische Menge an positiven und negativen Magnetfeldern. Wenn die EinfĂŒhrung der Elektronen jedoch vor dem optimalen Zeitpunkt erfolgt, gibt es mehr positive Felder und weniger negative. Im Fall der EinfĂŒhrung von Elektronen nach dem optimalen Zeitpunkt gibt es weniger positive und mehr negative.5c). Solche Abweichungen fĂŒhren dazu, dass das Elektron je nach Position relativ zur Achse nach links, rechts, oben oder unten abgelenkt wird, was zu einer Erhöhung des transversal Impulses fĂŒhrt, der mit der Fokussierung oder Defokussierung des Strahls zusammenhĂ€ngt.
FĂŒr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in und dazu.
Epilog
Zusammenfassend lĂ€sst sich sagen, dass die Leistung des Beschleunigers steigt, wenn die Dauer des Elektronenstrahls verkĂŒrzt wird. In diesem Werk war die erreichbare Dauer des Strahls durch die Geometrie der Anordnung begrenzt. Theoretisch kann die Dauer des Strahls jedoch weniger als 100 fs betragen.
Wissenschaftler stellen auch fest, dass die QualitÀt des Strahls weiter verbessert werden kann, indem die Höhe der Schichten verringert und deren Anzahl erhöht wird. Dieses Verfahren birgt allerdings auch Schwierigkeiten, insbesondere die erhöhte KomplexitÀt der Herstellung des GerÀts.
Diese Arbeit ist der erste Schritt zu einer umfassenderen und detaillierteren Untersuchung einer Miniaturversion des Linearbeschleunigers. Obwohl das getestete Modell bereits hervorragende Ergebnisse zeigt, die man zu Recht als rekordverdÀchtig bezeichnen kann, gibt es noch viel zu tun.
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Quelle: habr.com
