Das uns vertraute Prinzip âmehr bedeutet stĂ€rkerâ hat sich lĂ€ngst in vielen Lebensbereichen etabliert, auch in Wissenschaft und Technik. In der heutigen RealitĂ€t begegnen wir jedoch zunehmend der praktischen Umsetzung des Sprichworts âklein, aber ohoâ. Dies zeigt sich sowohl bei Computern, die frĂŒher einen ganzen Raum einnahmen und heute in die Hand eines Kindes passen, als auch bei Teilchenbeschleunigern. Ja, erinnern Sie sich an den groĂen Hadronenbeschleuniger (LHC), dessen beeindruckende Abmessungen (26.659 m lang) bereits in seinem Namen verankert sind? Nun, das gehört der Vergangenheit an, glauben die Wissenschaftler vom DESY, die eine Miniaturversion des Beschleunigers entwickelt haben, die in Bezug auf Leistung nicht hinter ihrem vollwertigen VorgĂ€nger zurĂŒcksteht. Mehr noch, der Mini-Beschleuniger hat sogar einen neuen Weltrekord unter Terahertz-Beschleunigern aufgestellt, indem er die Energie der injizierten Elektronen verdoppelt hat. Wie der Mini-Beschleuniger entwickelt wurde, welche Grundeprinzipien seiner Funktionsweise zugrunde liegen und was praktische Experimente gezeigt haben, darĂŒber wird uns der Bericht der Forschungsgruppe Auskunft geben. Los geht's.
Basis der Forschung
Laut Dongfang Zhang und seinen Kollegen vom DESY (Deutsches Elektronensynchrotron), die den Mini-Beschleuniger entwickelt haben, spielen ultraschnelle Elektronenquellen eine unglaublich wichtige Rolle im modernen Leben. Viele von ihnen finden Anwendung in der Medizin, der Entwicklung von Elektronik und in der wissenschaftlichen Forschung. Das gröĂte Problem der derzeitigen Linearbeschleuniger, die Hochfrequenzgeneratoren nutzen, sind ihre hohen Kosten, die KomplexitĂ€t der Infrastruktur und der enorme Strombedarf. Solche Nachteile schrĂ€nken die ZugĂ€nglichkeit Ă€hnlicher Technologien fĂŒr breitere Nutzerkreise erheblich ein.
Diese offensichtlichen Herausforderungen sind ein hervorragender Anreiz zur Entwicklung von GerĂ€ten, deren GröĂe keinen Schrecken auslöst, ebenso wie der damit verbundene Stromverbrauch.
Unter den relativ neuen Entwicklungen in diesem Bereich sind terahertz-Beschleuniger hervorzuheben, die eine Reihe von âVorteilenâ bieten:
- Es wird erwartet, dass kurze Wellen und kurze Impulse von Terahertz-Strahlung die Durchbruchschwelle erheblich anheben des elektrischen Feldes,was die Beschleunigungsgradienten erhöht;
Elektrischer Durchbruch. â plötzlicher Anstieg der StromstĂ€rke bei Anlegen einer Spannung ĂŒber dem kritischen Wert.
- Das Vorhandensein effektiver Methoden zur Erzeugung hochfeld-Terahertzstrahlung ermöglicht die DurchfĂŒhrung interner Synchronisation zwischen Elektronen und Anregungsfeldern;
- Zur Herstellung solcher GerÀte können klassische Methoden angewendet werden, aber die Kosten, die Produktionszeit und die Abmessungen werden erheblich reduziert.
Wissenschaftler glauben, dass ihr Terahertz-Beschleuniger im MillimetermaĂstab einen Kompromiss zwischen den derzeit verfĂŒgbaren herkömmlichen Beschleunigern und den Mikro-Beschleunigern darstellt, die entwickelt werden, jedoch viele Nachteile aufgrund ihrer sehr geringen Abmessungen aufweisen.
Die Forscher bestreiten nicht, dass die Technologie des Terahertz-Beschleunigens schon seit einiger Zeit in der Entwicklung ist. Ihrer Meinung nach gibt es jedoch in diesem Bereich noch viele Aspekte, die nicht untersucht, ĂŒberprĂŒft oder umgesetzt wurden.
In ihrer Arbeit, die wir heute besprechen, zeigen die Wissenschaftler die Möglichkeiten von STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) â einem segmentierten Terahertz-Elektronenbeschleuniger und -Manipulator. STEAM ermöglicht es, die LĂ€nge des Elektronenstrahls auf subpikosekundliche Dauer zu reduzieren, was einen Femtosekunden-Kontakt ĂŒber die Beschleunigungsphase ermöglicht.
Es gelang, ein Beschleunigungsfeld von 200 MV/m (MV â Megavolt) zu erreichen, was zu einem rekordverdĂ€chtigen Terahertz-Beschleunigung von > 70 keV (Kiloelektronvolt) durch den eingebetteten Elektronenstrahl mit einer Energie von 55 keV fĂŒhrt. Damit wurden beschleunigte Elektronen bis zu 125 keV erhalten.
Struktur des GerÀts und seine Realisierung
Bild Nr. 1: Schema des untersuchten GerÀts.
Bild Nr. 1-2: a â Schema der entwickelten 5-schichtigen segmentierten Struktur, b â VerhĂ€ltnis von berechnetem Beschleunigung und Richtung der Elektronenbewegung.
Elektronenstrahlen (55 keV) werden aus der Elektronenkanone* erzeugt und in den Terahertz STEAM-buncher (strahlkompressor) eingebracht, bevor sie in den STEAM-linac (linearen Beschleuniger*).
Elektronenkanone* â GerĂ€t zur Erzeugung eines Elektronenstrahls der erforderlichen Konfiguration und Energie.
Linearbeschleuniger* â Beschleuniger, in dem geladene Teilchen die Struktur nur einmal durchlaufen, was den Linearbeschleuniger vom zyklischen (z. B. LHC) unterscheidet.
Beide STEAM-GerĂ€te erhalten Terahertzimpulse von einem Laser fĂŒr nahes Infrarotlicht (NIR), der auch den Photokathoden der Elektronenkanone antreibt, was zu einer internen Synchronisation zwischen Elektronen und beschleunigenden Feldern fĂŒhrt. Ultravioletimpulse fĂŒr die Photoemission auf dem Photokathoden werden in zwei aufeinanderfolgenden Stufen erzeugt. GVG* der HauptwellenlĂ€nge des nahen Infrarotlichts. Dieser Prozess wandelt den Laserimpuls mit einer WellenlĂ€nge von 1020 nm zunĂ€chst in 510 nm und dann in 255 nm um.
GVG* (Erzeugung der zweiten optischen Harmonischen) â ein Prozess, bei dem Photonen mit gleicher Frequenz wĂ€hrend der Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Material kombiniert werden, was zur Bildung neuer Photonen mit verdoppelter Energie und Frequenz sowie halbierter WellenlĂ€nge fĂŒhrt.
Der restliche Teil des NIR-Laserstrahls wird in 4 Strahlen aufgeteilt, die zur Erzeugung von vier Einzelzyklus-Terahertzimpulsen durch Erzeugung von Differenzfrequenzen innerhalb des Impulses verwendet werden.
Zwei Terahertzimpulse gelangen dann ĂŒber symmetrische Hornstrukturen in jedes STEAM-GerĂ€t, die die Terahertzenergie in den Wechselwirkungsbereich quer zur Ausbreitungsrichtung der Elektronen lenken.
Wenn die Elektronen in jedes der STEAM-GerÀte eintreten, werden sie den elektrischen und magnetischen Komponenten ausgesetzt. Lorentz-Kraft*.
Lorentz-Kraft* â die Kraft, mit der ein elektromagnetisches Feld auf ein geladenes Teilchen wirkt.
In diesem Fall ist das elektrische Feld fĂŒr das Beschleunigen und Verzögern verantwortlich, wĂ€hrend das magnetische Feld Querabweichungen verursacht.
Abbildung Nr. 2
Wie auf den Bildern zu sehen ist, 2a und 2bsind innerhalb jedes STEAM-GerĂ€ts die Terahertzstrahlen quer durch dĂŒnne MetallblĂ€tter in mehreren Schichten unterschiedlicher Dicke getrennt, wobei jede Schicht als Wellenleiter fungiert, der einen Teil der gesamten Energie in den Wechselwirkungsbereich ĂŒbertrĂ€gt. Jedes Schicht enthĂ€lt auĂerdem dielektrische Platten, um die Ankunftszeit des Terahertz- Wellenfront* mit der Front der Elektronen abzugleichen.
Wellenfront* â die FlĂ€che, die von der Welle erreicht wurde.
Beide STEAM-GerĂ€te arbeiten im elektrischen Modus, das heiĂt, sie erzeugen eine Ăberlagerung des elektrischen Feldes und eine AbschwĂ€chung des magnetischen Feldes im Zentrum des Wechselwirkungsbereichs.
Im ersten GerÀt sind die Elektronen zeitlich so berechnet, dass sie durch den Nullpunkt* des Terahertzfeldes hindurchgehen, wo die zeitlichen Gradient des elektrischen Feldes maximiert und das durchschnittliche Feld minimiert ist.
Der Nullpunkt* ist der Punkt, an dem keine Spannung vorhanden ist.
Eine solche Konfiguration fĂŒhrt zu einer Beschleunigung des Schwanzes des Elektronenstrahls und einer Verlangsamung seines Kopfes, was zu einer ballistischen longitudinalen Fokussierung fĂŒhrt (2a und 2s).
Im zweiten GerĂ€t wird die Synchronisation des Elektrons mit der terahertzstrahlung so eingestellt, dass der Elektronenstrahl nur den negativen Zyklus des terahertz elektrischen Feldes erfĂ€hrt. Diese Konfiguration fĂŒhrt zu einer reinen kontinuierlichen Beschleunigung (2b und 2d).
Der Laser mit NIR-Strahlung 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 Wiederholrate von 10 Hz abgibt. Die terahertz Impulse mit einer zentralen Frequenz von 0,29 Terahertz (Periode von 3,44 ps) werden durch die Methode des schrĂ€gen Impulsfronts erzeugt.
FĂŒr die Versorgung des STEAM-Bunchers (Strahlkompressor) wurden lediglich 2 x 50 nJ terahertz Energie verwendet, wĂ€hrend fĂŒr den STEAM-Linac (Linienbeschleuniger) 2 x 15 mJ benötigt wurden.
Der Durchmesser der Ein- und AuslÀsse beider STEAM-GerÀte betrÀgt 120 ”m.
Der Strahlkompressor ist mit drei Schichten gleicher Höhe (0,225 mm) konzipiert, die mit Platten aus geschmolzenem Quarz (Ï”r =4,41) in LĂ€ngen von 0,42 und 0,84 mm ausgestattet sind, um die zeitliche Synchronisation zu kontrollieren. Die gleichen Höhen der Schichten des Kompressors spiegeln wider, dass keine Beschleunigung stattfindet (2s).
Im Gegensatz dazu unterscheiden sich die Höhen im Linienbeschleuniger 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 Erhöhung der Elektronengeschwindigkeit wĂ€hrend der Beschleunigung.
Wissenschaftler stellen fest, dass die Anzahl der Schichten direkt fĂŒr die FunktionalitĂ€t jedes der beiden GerĂ€te verantwortlich ist. Um eine höhere Beschleunigungsrate zu erreichen, sind zum Beispiel mehr Schichten und eine andere Höhenkonfiguration erforderlich, um die Wechselwirkung zu optimieren.
Ergebnisse praktischer Experimente
ZunĂ€chst erinnern die Forscher daran, dass in traditionellen Beschleunigern auf der Basis von Radiofrequenzen die zeitliche Ausdehnung des eingespeisten Elektronenstrahls die Eigenschaften des beschleunigten Strahls in Verbindung mit der Ănderung des elektrischen Feldes beeinflusst, das wĂ€hrend der Wechselwirkung von verschiedenen Elektronen im Strahl, die zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen, erfahren wird. Daher kann angenommen werden, dass Felder mit groĂem Gradienten und Strahlen mit lĂ€ngerer Dauer zu einem gröĂeren Energiespread fĂŒhren. Eingespeiste Strahlen mit langer Dauer können ebenfalls zu höheren Werten fĂŒhren. Emittanzen*.
Emittanz* â der Phasenraum, den der beschleunigte Strahl geladener Teilchen einnimmt.
Im Fall des Terahertz-Beschleunigers ist die Periode des Anregungsfeldes etwa 200 Mal kĂŒrzer. Folglich die IntensitĂ€t* des unterstĂŒtzten Feldes wird 10 Mal höher sein.
Die IntensitĂ€t des elektrischen Feldes* ist das MaĂ fĂŒr das elektrische Feld und entspricht dem VerhĂ€ltnis der auf eine ruhende Punktladung, die an einem bestimmten Punkt im Feld platziert ist, ausgeĂŒbten Kraft zur GröĂe dieser Ladung.
Somit können in einem Terahertz-Beschleuniger die Feldgradienten, die die Elektronen erfahren, um mehrere GröĂenordnungen höher sein als in einem herkömmlichen GerĂ€t. Der zeitliche MaĂstab, auf dem die KrĂŒmmung des Feldes sichtbar ist, wird dabei erheblich kleiner sein. Daher wird die Dauer des eingespeisten Elektronenstrahls einen ausgeprĂ€gteren Einfluss haben.
Die Wissenschaftler haben praktisch getestet, was die Theorie vorhersagt. Dazu haben sie Elektronenstrahlen unterschiedlicher Dauer eingespeist, die durch Kompression mithilfe des ersten STEAM-GerÀts (STEAM-Buncher) kontrolliert wurden.
Bild Nr. 3
In dem Fall, als der Kompressor nicht an die Stromquelle angeschlossen war, durchliefen Elektronenstrahlen (55 keV) mit einer Ladung von âŒ1 fC (Femtokoulomb) ungefĂ€hr 300 mm von der Elektronenkanone zum GerĂ€t des Linearbeschleunigers (STEAM-linac). Diese Elektronen konnten sich aufgrund der KrĂ€fte des rĂ€umlichen Ladungsfeldes bis zu einer Dauer von ĂŒber 1000 fs (Femtosekunden) ausdehnen.
Bei dieser Dauer nahm der Elektronenstrahl etwa 60 % der Halbwelle des beschleunigenden Feldes mit einer Frequenz von 1,7 ps ein, was zu einem Energiespektrum nach der Beschleunigung mit einem Peak bei 115 keV und einer Halbbreite der Energieverteilung von ĂŒber 60 keV fĂŒhrte.3a).
Um diese Ergebnisse mit den erwarteten zu vergleichen, wurde eine Situation modelliert, in der Elektronen durch einen Linearbeschleuniger strömen, wobei die Elektronen nicht synchronisiert sind (d. h. nicht mit) hinsichtlich des optimalen Zeitpunkts der EinfĂŒhrung. Die Berechnungen dieser Situation zeigten, dass die Energiezunahme der Elektronen stark vom Zeitpunkt der EinfĂŒhrung abhĂ€ngt, bis hin zum subpikosekundenzeitlichen MaĂstab (3b). Das heiĂt, bei optimaler Einstellung wird das Elektron wĂ€hrend jeder Schicht die gesamte Halbperiodenbeschleunigung der Terahertzstrahlung erfahren (3s).
Wenn die Elektronen jedoch zu unterschiedlichen Zeiten ankommen, erfahren sie eine geringere Beschleunigung in der ersten Schicht, wodurch sie mehr Zeit fĂŒr den Durchgang benötigen. Dann verstĂ€rkt sich die UnsynchronitĂ€t in den folgenden Schichten, was zu einer unerwĂŒnschten Verlangsamung fĂŒhrt (3d).
Um den negativen Effekt der zeitlichen Ausdehnung des Elektronenstrahls zu minimieren, arbeitete das erste STEAM-GerÀt im Komprimierungsmodus. Die Dauer des Elektronenstrahls im Linearbeschleuniger wurde auf ein Minimum von ~ 350 fs (Halbwertsbreite) optimiert, indem die Terahertzenergie, die an den Kompressor angelegt wurde, angepasst und der Linearbeschleuniger in den Modus des Strichens versetzt wurde (4b).
Abbildung Nr. 4
Die minimale Dauer des Strahls wurde entsprechend der Dauer des UV-Pulses des Fotokathoden festgelegt, die ~ 600 fs betrug. Auch die Entfernung zwischen dem Kompressor und dem Strahl spielte eine wichtige Rolle, da sie die StĂ€rke der Komprimierung in Bezug auf die Geschwindigkeit begrenzte. Zusammen ermöglichen diese MaĂnahmen eine femtosekunden-genaue PhasenfĂŒhrung in der Beschleunigungsphase.
In der Abbildung 4a Es ist zu erkennen, dass die Streuung der Energie des komprimierten Elektronenstrahls nach der optimierten Beschleunigung im Linearbeschleuniger um ~ 4 Mal geringer ist als die des nicht komprimierten. Durch die Beschleunigung verschiebt sich das energetische Spektrum des komprimierten Strahls in Richtung höherer Energien, im Gegensatz zum nicht komprimierten Strahl. Der Gipfel des energetischen Spektrums nach der Beschleunigung betrÀgt etwa 115 keV, wÀhrend der hochenergetische Schwanz etwa 125 keV erreicht.
Diese Werte sind, gemÀà der bescheidenen Aussage der Wissenschaftler, ein neuer Rekord fĂŒr die Beschleunigung (vor der Beschleunigung betrug sie 70 keV) im Terahertzbereich.
Um jedoch die Energieverteilung zu verringern (4a), muss ein noch kĂŒrzerer Strahl erreicht werden.
Abbildung Nr. 5
Im Falle des nicht komprimierten, eingefĂŒhrten Strahls zeigt die parabolische AbhĂ€ngigkeit der StrahlgröĂe von der StromstĂ€rke den transversalen Emittanz in horizontaler und vertikaler Richtung: Δx,n = 1,703 mm*mrad und Δy,n = 1,491 mm*mrad (5Đ°).
Die Kompression hingegen verbesserte den transversalen Emittanz um den Faktor 6 auf Δx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) und Δy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Es ist erwĂ€hnenswert, dass das MaĂ der Verringerung des Emittanz etwa doppelt so groĂ ist wie das MaĂ der VerkĂŒrzung der Strahldauer, was ein MaĂ fĂŒr die NichtlinearitĂ€t der Dynamik der Wechselwirkung mit der Zeit darstellt, wenn Elektronen wĂ€hrend der Beschleunigung einer starken Fokussierung und Defokussierung des Magnetfeldes ausgesetzt sind (5b und 5Ń).
In der Abbildung 5b es ist zu erkennen, dass Elektronen, die zu optimalen Zeitpunkten eingefĂŒhrt werden, den gesamten Halbzyklus der Beschleunigung des elektrischen Feldes erfahren. Elektronen, die jedoch vor oder nach dem optimalen Zeitpunkt eintreffen, erfahren eine geringere Beschleunigung und sogar eine teilweise Verzögerung. Solche Elektronen erhalten dadurch weniger Energie, grob gesagt.
Eine Ă€hnliche Situation kann auch bei der Einwirkung des Magnetfeldes beobachtet werden. Elektronen, die zu optimalen Zeitpunkten eingefĂŒhrt werden, erfahren eine symmetrische Menge an positiven und negativen Magnetfeldern. Wenn jedoch die EinfĂŒhrung von Elektronen vor dem optimalen Zeitpunkt stattfindet, gibt es mehr positive Felder und weniger negative. Im Falle der EinfĂŒhrung von Elektronen nach dem optimalen Zeitpunkt gibt es weniger positive und mehr negative (5Ń). Solche Abweichungen fĂŒhren dazu, dass Elektronen nach links, rechts, oben oder unten abgelenkt werden können, abhĂ€ngig von ihrer Position zur Achse, was zu einer Erhöhung des transversalen Impulses fĂŒhrt, der der Fokussierung oder Defokussierung des Strahls entspricht.
FĂŒr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den und dazu.
Epilog
Zusammenfassend wird die Leistung des Beschleunigers steigen, wenn die Dauer des Elektronenstrahls verringert wird. In dieser Arbeit wurde die erreichbare Strahldauer durch die Geometrie der Anlage begrenzt. Theoretisch könnte die Strahldauer jedoch weniger als 100 fs betragen.
Wissenschaftler weisen auch darauf hin, dass die QualitÀt des Strahls in Zukunft durch Verringerung der Schichthöhe und Erhöhung ihrer Anzahl verbessert werden kann. Diese Methode ist jedoch nicht ohne Probleme, insbesondere die Erhöhung der KomplexitÀt der Herstellung des GerÀts.
Diese Arbeit stellt einen ersten Schritt in eine umfassendere und detailliertere Untersuchung der kompakten Version eines linearen Beschleunigers dar. Auch wenn die getestete Version bereits hervorragende Ergebnisse zeigt, die berechtigterweise als rekordverdÀchtig bezeichnet werden können, gibt es noch viel zu tun.
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Quelle: habr.com
