Der bekannte Grundsatz „Mehr ist stärker“ ist in vielen Bereichen der Gesellschaft, auch in Wissenschaft und Technik, längst etabliert. In der modernen Realität findet jedoch immer häufiger eine praktische Umsetzung des Sprichworts „klein, aber gewagt“ statt. Dies zeigt sich sowohl bei Computern, die früher einen ganzen Raum einnahmen und jetzt in die Handfläche eines Kindes passen, als auch bei Teilchenbeschleunigern. Ja, ja, erinnern Sie sich an den Large Hadron Collider (LHC), dessen beeindruckende Dimensionen (26 m Länge) buchstäblich im Namen angedeutet sind? Nun, das gehört bereits der Vergangenheit an, sagen Wissenschaftler von DESY, die eine Miniaturversion des Beschleunigers entwickelt haben, die in puncto Leistung ihrem vollwertigen Vorgänger in nichts nachsteht. Darüber hinaus stellte der Minibeschleuniger sogar einen neuen Weltrekord unter den Terahertz-Beschleunigern auf, indem er die Energie der implantierten Elektronen verdoppelte. Wie wurde der Miniaturbeschleuniger entwickelt, nach welchen Grundprinzipien funktioniert er und was haben praktische Experimente gezeigt? Der Bericht der Forschungsgruppe wird uns dabei helfen, mehr darüber zu erfahren. Gehen.
Forschungsgrundlage
Laut Dongfang Zhang und seinen Kollegen am DESY (Deutsches Elektronensynchrotron), die den Minibeschleuniger entwickelt haben, spielen ultraschnelle Elektronenquellen eine unglaublich wichtige Rolle in der modernen Gesellschaft. Viele davon manifestieren sich in der Medizin, der Elektronikentwicklung und der wissenschaftlichen Forschung. Das größte Problem bei aktuellen Linearbeschleunigern mit HF-Oszillatoren sind ihre hohen Kosten, die Komplexität der Infrastruktur und ihr großer Bedarf an Stromverbrauch. Und solche Mängel schränken die Verfügbarkeit solcher Technologien für einen breiteren Nutzerkreis erheblich ein.
Diese offensichtlichen Probleme sind ein großer Anreiz, Geräte zu entwickeln, die hinsichtlich Größe und Stromverbrauch nicht einschüchternd wirken.
Zu den relativen Neuheiten in dieser Branche zählen Terahertz-Beschleuniger, die eine Reihe von „Goodies“ aufweisen:
- Es wird erwartet, dass kurze Wellen und kurze Pulse der Terahertz-Strahlung eine deutliche Erhöhung der Schwelle ermöglichen werden abbauen*, verursacht durch das Feld, das die Beschleunigungsgradienten erhöht;
Stromausfall* - ein starker Anstieg der Stromstärke, wenn eine Spannung über dem kritischen Wert angelegt wird.
- die Verfügbarkeit effizienter Methoden zur Erzeugung von Hochfeld-Terahertz-Strahlung ermöglicht eine interne Synchronisation zwischen Elektronen und Anregungsfeldern;
- Zur Herstellung solcher Geräte können klassische Methoden verwendet werden, ihre Kosten, Produktionszeit und Größe werden jedoch erheblich reduziert.
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihr millimetergroßer Terahertz-Beschleuniger einen Kompromiss zwischen derzeit verfügbaren herkömmlichen Beschleunigern und in der Entwicklung befindlichen Mikrobeschleunigern darstellt, aufgrund der ohnehin schon sehr geringen Abmessungen jedoch viele Nachteile mit sich bringt.
Die Forscher leugnen nicht, dass sich die Terahertz-Beschleunigungstechnologie schon seit Längerem in der Entwicklung befindet. Ihrer Meinung nach gibt es in diesem Bereich jedoch noch viele Aspekte, die noch nicht untersucht, getestet oder umgesetzt wurden.
In ihrer Arbeit, die wir heute betrachten, demonstrieren Wissenschaftler die Möglichkeiten von STEAM (segmentierter Terahertz-Elektronenbeschleuniger und -manipulator) ist ein segmentierter Terahertz-Elektronenbeschleuniger und -manipulator. STEAM ermöglicht es, die Länge des Elektronenstrahls auf eine Dauer im Sub-Pikosekundenbereich zu reduzieren und so eine Femtosekunden-Kontrolle über die Beschleunigungsphase zu ermöglichen.
Es konnte ein Beschleunigungsfeld von 200 MV/m (MV – Megavolt) erreicht werden, was zu einer Rekord-Terahertz-Beschleunigung von > 70 keV (Kiloelektronenvolt) aus einem implantierten Elektronenstrahl mit einer Energie von 55 keV führt. Auf diese Weise wurden beschleunigte Elektronen bis zu 125 keV erhalten.
Gerätestruktur und Implementierung
Bild Nr. 1: Schema des untersuchten Geräts.
Bild Nr. 1-2: a – ein Diagramm der entwickelten 5-schichtigen segmentierten Struktur, b – das Verhältnis der berechneten Beschleunigung und der Richtung der Elektronenausbreitung.
Es werden Elektronenstrahlen (55 keV) erzeugt Elektronenkanone* und werden in den Terahertz STEAM-Buncher (Strahlkompressor) eingeleitet und anschließend an STEAM-linac übertragen (Linearbeschleuniger*).
Elektronenkanone* — ein Gerät zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit der erforderlichen Konfiguration und Energie.
Linearbeschleuniger* - ein Beschleuniger, bei dem geladene Teilchen die Struktur nur einmal passieren, was einen Linearbeschleuniger von einem zyklischen Beschleuniger (z. B. den LHC) unterscheidet.
Beide STEAM-Geräte empfangen Terahertz-Impulse von einem einzelnen Nahinfrarotlaser (NIR), der auch die Fotokathode der Elektronenkanone antreibt, was zu einer internen Synchronisation zwischen den Elektronen und den Beschleunigungsfeldern führt. Über zwei aufeinanderfolgende Stufen werden ultraviolette Impulse zur Photoemission an der Photokathode erzeugt GVG* Grundwellenlänge des nahen Infrarotlichts. Dieser Prozess wandelt einen 1020-nm-Laserpuls zunächst in 510 nm und dann in 255 nm um.
GVG* (zweite harmonische Erzeugung) – der Prozess der Kombination von Photonen mit der gleichen Frequenz während der Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Material, was zur Bildung neuer Photonen mit der doppelten Energie und Frequenz sowie der halben Wellenlänge führt.
Der verbleibende Teil des NIR-Laserstrahls wird in vier Strahlen aufgeteilt, die zur Erzeugung von vier einzyklischen Terahertz-Pulsen verwendet werden, indem eine Frequenzdifferenz innerhalb der Pulse erzeugt wird.
Zwei Terahertz-Pulse gelangen dann durch symmetrische Hornstrukturen in jedes STEAM-Gerät, die Terahertz-Energie quer zur Ausbreitungsrichtung der Elektronen in den Wechselwirkungsbereich leiten.
Wenn Elektronen in jedes der STEAM-Geräte eindringen, werden sie elektrischen und magnetischen Komponenten ausgesetzt. Lorentzkräfte*.
Lorentzkraft* ist die Kraft, mit der ein elektromagnetisches Feld auf ein geladenes Teilchen einwirkt.
Dabei ist das elektrische Feld für Beschleunigung und Verzögerung verantwortlich, während das magnetische Feld für seitliche Auslenkungen sorgt.
Bild #2
Wie wir auf den Bildern sehen 2a и 2bIm Inneren jedes STEAM-Geräts werden die Terahertz-Strahlen durch dünne Metallbleche quer in mehrere Schichten unterschiedlicher Dicke aufgeteilt, die jeweils als Wellenleiter fungieren und einen Teil der Gesamtenergie in den Wechselwirkungsbereich übertragen. Außerdem gibt es in jeder Schicht dielektrische Platten, um die Ankunftszeit des Terahertz-Signals anzupassen. Wellenfront* mit einer Elektronenfront.
Wellenfront* ist die Oberfläche, die die Welle erreicht hat.
Beide STEAM-Geräte arbeiten im elektrischen Modus, also so, dass sie im Zentrum des Interaktionsbereichs ein elektrisches Feld und eine Magnetfeldunterdrückung erzeugen.
Im ersten Gerät wird der Durchgang der Elektronen zeitlich gesteuert Nullstelle* Terahertz-Feld, bei dem die zeitlichen Gradienten des elektrischen Feldes maximiert und das durchschnittliche Feld minimiert werden.
Nullstelle* - der Punkt, an dem es keine Spannung mehr gibt.
Diese Konfiguration bewirkt, dass der Schweif des Elektronenstrahls beschleunigt und sein Kopf abgebremst wird, was zu einer ballistischen Längsfokussierung führt (2a и 2с).
Im zweiten Gerät ist die Synchronisation der Elektronen- und Terahertz-Strahlung so eingestellt, dass der Elektronenstrahl nur den negativen Zyklus des elektrischen Terahertz-Feldes erfährt. Diese Konfiguration führt zu einer kontinuierlichen Nettobeschleunigung (2b и 2d).
Der NIR-Laser ähnelt einem kryogen gekühlten Yb:YLF-System, das optische Impulse mit einer Dauer von 1.2 ps und einer Energie von 50 mJ bei einer Wellenlänge von 1020 nm und einer Wiederholrate von 10 Hz erzeugt. Und Terahertz-Pulse mit einer Mittenfrequenz von 0.29 Terahertz (einer Periode von 3.44 ps) werden durch die Methode der geneigten Pulsfront erzeugt.
Für den Antrieb des STEAM-Bünchers (Strahlkompressor) wurden nur 2 x 50 nJ Terahertz-Energie verwendet, während für den STEAM-Linac (Linearbeschleuniger) 2 x 15 mJ benötigt wurden.
Der Durchmesser des Ein- und Auslasses beider STEAM-Geräte beträgt 120 µm.
Der Strahlkompressor besteht aus drei Schichten gleicher Höhe (0 mm), die zur Zeitsteuerung mit Quarzglasplatten (ϵr =225) der Länge 4.41 und 0.42 mm ausgestattet sind. Die gleichen Höhen der Kompressorschichten spiegeln die Tatsache wider, dass keine Beschleunigung auftritt (2с).
Aber beim Linearbeschleuniger sind die Höhen schon unterschiedlich – 0.225, 0.225 und 0.250 mm (+ Quarzglasplatten 0.42 und 0.84 mm). Die Zunahme der Schichthöhe erklärt die Zunahme der Elektronengeschwindigkeit beim Beschleunigen.
Wissenschaftler stellen fest, dass die Anzahl der Schichten direkt für die Funktionalität jedes der beiden Geräte verantwortlich ist. Um beispielsweise eine höhere Beschleunigung zu erreichen, sind mehr Schichten und eine andere Höhenkonfiguration erforderlich, um die Interaktion zu optimieren.
Ergebnisse praktischer Experimente
Zunächst erinnern die Forscher daran, dass bei herkömmlichen HF-basierten Beschleunigern der Einfluss der zeitlichen Ausdehnung des implantierten Elektronenstrahls auf die Eigenschaften des beschleunigten Strahls mit einer Änderung des elektrischen Feldes verbunden ist, das während der Wechselwirkung verschiedener Elektronen darin auftritt Der Strahl kommt zu unterschiedlichen Zeiten an. Somit ist davon auszugehen, dass Felder mit großem Gradienten und Strahlen mit längerer Dauer zu einer größeren Energieausbreitung führen. Auch langzeitig eingestrahlte Strahlen können zu höheren Werten führen Emissionsgrade*.
Emission* ist der Phasenraum, der von einem beschleunigten Strahl geladener Teilchen eingenommen wird.
Bei einem Terahertz-Beschleuniger ist die Periode des Anregungsfeldes etwa 200-mal kürzer. Somit, Spannung* Das unterstützte Feld wird zehnmal höher sein.
Elektrische Feldstärke* - ein Indikator für das elektrische Feld, der dem Verhältnis der auf eine an einem bestimmten Punkt im Feld platzierten Festpunktladung ausgeübten Kraft zur Größe dieser Ladung entspricht.
Daher können in einem Terahertz-Beschleuniger die Feldgradienten, denen Elektronen ausgesetzt sind, mehrere Größenordnungen höher sein als in einem herkömmlichen Gerät. Die Zeitskala, auf der sich die Feldkrümmung bemerkbar macht, wird in diesem Fall viel kleiner sein. Daraus folgt, dass die Dauer des injizierten Elektronenstrahls einen stärkeren Einfluss hat.
Wissenschaftler in der Praxis beschlossen, diese Theorien zu testen. Dazu führten sie Elektronenstrahlen unterschiedlicher Dauer ein, die dank des ersten STEAM-Geräts (STEAM-Buncher) durch Kompression gesteuert wurden.
Bild #3
Wenn der Kompressor nicht an eine Stromquelle angeschlossen war, legten Elektronenstrahlen (55 keV) mit einer Ladung von ∼1 fC (Femtocoulomb) etwa 300 mm von der Elektronenkanone zum Linearbeschleuniger (STEAM-Linac) zurück. Diese Elektronen könnten sich unter der Wirkung von Raumladungskräften bis zu einer Dauer von mehr als 1000 fs (Femtosekunden) ausdehnen.
Bei dieser Dauer nahm der Elektronenstrahl etwa 60 % der Halbwelle des Beschleunigungsfeldes mit einer Frequenz von 1,7 ps ein, was nach der Beschleunigung zu einem Energiespektrum mit einem Peak bei 115 keV und einer Halbwertsbreite der Energieverteilung von mehr führte als 60 keV (3a).
Um diese Ergebnisse mit den erwarteten zu vergleichen, wurde die Situation der Elektronenausbreitung durch einen Linearbeschleuniger simuliert, bei der die Elektronen im Hinblick auf die optimale Injektionszeit nicht synchron waren (dh nicht übereinstimmten). Berechnungen einer solchen Situation zeigten, dass der Anstieg der Elektronenenergie bis zur Subpikosekunden-Zeitskala stark vom Zeitpunkt der Einführung abhängt (3b). Das heißt, bei optimaler Abstimmung erfährt das Elektron in jeder Schicht eine volle Halbwelle der Terahertz-Strahlungsbeschleunigung (3с).
Treffen die Elektronen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein, erfahren sie in der ersten Schicht eine geringere Beschleunigung und benötigen daher mehr Zeit, um diese zu passieren. Die Desynchronisation nimmt dann in den nachfolgenden Schichten zu, was zu einer unerwünschten Verlangsamung führt (3d).
Um den negativen Effekt der zeitlichen Länge des Elektronenstrahls zu minimieren, arbeitete das erste STEAM-Gerät im Kompressionsmodus. Die Elektronenstrahldauer am Linearbeschleuniger wurde auf ein Minimum von ~350 fs (Halbwertsbreite) optimiert, indem die dem Kompressor zugeführte Terahertz-Energie abgestimmt und der Linearbeschleuniger in den Schraffurmodus geschaltet wurde (4b).
Bild #4
Die minimale Strahldauer wurde entsprechend der Dauer des Photokathoden-UV-Pulses eingestellt, dessen Dauer etwa 600 fs betrug. Eine wichtige Rolle spielte auch der Abstand zwischen Kompressor und Band, der die Geschwindigkeit der Eindickkraft begrenzte. Zusammengenommen ermöglichen diese Maßnahmen, die Femtosekundengenauigkeit der Injektionsphase in der Beschleunigungsphase sicherzustellen.
Auf dem Bild 4a Es ist zu erkennen, dass die Energieausbreitung des komprimierten Elektronenstrahls nach optimierter Beschleunigung im Linearbeschleuniger im Vergleich zum unkomprimierten um den Faktor ~4 abnimmt. Durch die Beschleunigung verschiebt sich das Energiespektrum des komprimierten Strahls im Gegensatz zum unkomprimierten Strahl zu höheren Energien. Der Höhepunkt des Energiespektrums nach der Beschleunigung liegt bei etwa 115 keV und der hochenergetische Schwanz erreicht etwa 125 keV.
Diese Indikatoren stellen nach der bescheidenen Aussage der Wissenschaftler einen neuen Beschleunigungsrekord (vor der Beschleunigung waren es 70 keV) im Terahertz-Bereich dar.
Aber um die Energieverteilung zu reduzieren (4a) ist es notwendig, einen noch kürzeren Balken zu erreichen.
Bild #5
Im Falle eines unkomprimierten injizierten Strahls ergibt sich aus der parabolischen Stromabhängigkeit der Strahlgröße die transversale Emittanz in horizontaler und vertikaler Richtung: εx,n = 1.703 mm*mrad und εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Die Komprimierung wiederum verbesserte die Queremission um den Faktor 6 auf εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) und εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Es ist erwähnenswert, dass der Grad der Verringerung der Emittanz etwa doppelt so groß ist wie der Grad der Verringerung der Strahldauer, was ein Maß für die Nichtlinearität der Wechselwirkungsdynamik mit der Zeit ist, wenn die Elektronen eine starke Fokussierung und Defokussierung erfahren das Magnetfeld während der Beschleunigung (5b и 5с).
Auf dem Bild 5b Man erkennt, dass die zum optimalen Zeitpunkt eingebrachten Elektronen die gesamte Halbwelle der elektrischen Feldbeschleunigung erfahren. Aber Elektronen, die vor oder nach dem optimalen Zeitpunkt eintreffen, erfahren eine geringere Beschleunigung und sogar eine teilweise Verzögerung. Dadurch erhalten solche Elektronen grob gesagt weniger Energie.
Eine ähnliche Situation wird unter dem Einfluss eines Magnetfelds beobachtet. Zum optimalen Zeitpunkt injizierte Elektronen erfahren eine symmetrische Menge positiver und negativer Magnetfelder. Wenn die Einführung der Elektronen vor dem optimalen Zeitpunkt erfolgte, gab es mehr positive Felder und weniger negative. Bei der Einführung von Elektronen später als zum optimalen Zeitpunkt gibt es weniger positive und mehr negative (5с). Und solche Abweichungen führen dazu, dass das Elektron je nach Position relativ zur Achse nach links, rechts, oben oder unten abweichen kann, was zu einer Erhöhung des Querimpulses entsprechend der Fokussierung oder Defokussierung des Strahls führt.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Produktivität des Beschleunigers steigt, wenn die Dauer des Elektronenstrahls verkürzt wird. In dieser Arbeit wurde die erreichbare Strahldauer durch die Aufbaugeometrie begrenzt. Theoretisch kann die Strahldauer jedoch weniger als 100 fs erreichen.
Die Wissenschaftler stellen außerdem fest, dass die Qualität des Strahls durch eine Verringerung der Schichthöhe und eine Erhöhung ihrer Anzahl weiter verbessert werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch nicht ohne Probleme, insbesondere aufgrund der erhöhten Komplexität bei der Herstellung des Geräts.
Diese Arbeit ist die erste Phase einer umfassenderen und detaillierteren Untersuchung einer Miniaturversion eines Linearbeschleunigers. Trotz der Tatsache, dass die getestete Version bereits hervorragende Ergebnisse zeigt, die zu Recht als Rekord bezeichnet werden können, gibt es noch viel Arbeit.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und wünschen Ihnen allen eine tolle Woche! 🙂
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Source: habr.com