La konata principo "pli estas pli potenca" jam delonge estas establita en multaj sektoroj de la socio, inkluzive de scienco kaj teknologio. Tamen, en modernaj realaĵoj, la praktika efektivigo de la diraĵo "malgranda, sed potenca" pli kaj pli kutimas. Ĉi tio manifestiĝas kaj en komputiloj, kiuj antaŭe okupis tutan ĉambron, sed nun taŭgas en la manplato de infano, kaj en ŝargitaj partiklaj akceliloj. Jes, ĉu vi memoras la Grandan Koliziilon de Hadronoj (LHC), kies imponaj dimensioj (26 659 m longaj) estas laŭvorte indikitaj en ĝia nomo? Do, ĉi tio jam estas pasinteco laŭ sciencistoj de DESY, kiuj evoluigis miniaturan version de la akcelilo, kiu ne malsuperas la rendimenton ol ĝia plengranda antaŭulo. Krome, la mini-akcelilo eĉ starigis novan mondan rekordon inter terahercaj akceliloj, duobligante la energion de la enigitaj elektronoj. Kiel disvolviĝis la miniatura akcelilo, kiuj estas la bazaj principoj de ĝia funkciado, kaj kion montris praktikaj eksperimentoj? La raporto de la esplorgrupo helpos nin ekscii pri tio. Iru.
Esplorbazo
Laŭ Dongfang Zhang kaj liaj kolegoj ĉe DESY (germana Electron Synchrotron), kiuj disvolvis la mini-akcelilon, ultrarapidaj elektronfontoj ludas nekredeble gravan rolon en la vivo de la moderna socio. Multaj el ili aperas en medicino, elektronika disvolviĝo kaj scienca esplorado. La plej granda problemo kun nunaj liniaj akceliloj uzantaj radiofrekvencajn oscilatorojn estas ilia alta kosto, kompleksa infrastrukturo kaj impona elektrokonsumo. Kaj tiaj mankoj multe limigas la haveblecon de tiaj teknologioj al pli larĝa gamo de uzantoj.
Ĉi tiuj evidentaj problemoj estas bonega instigo por disvolvi aparatojn, kies grandeco kaj elektra konsumo ne kaŭzos teruron.
Inter la relativaj novecoj en ĉi tiu industrio estas terahercaj akceliloj, kiuj havas kelkajn "profitojn":
- Estas atendite ke mallongaj ondoj kaj mallongaj pulsoj de teraherca radiado signife pliigos la sojlon paneo*, kaŭzita de la kampo, kiu pliigos akcelajn gradientojn;
Elektra paneo* - akra pliiĝo en kurentforto kiam tensio super kritika estas aplikata.
- la ĉeesto de efikaj metodoj por generado de altkampa teraherca radiado permesas internan sinkronigon inter elektronoj kaj ekscitkampoj;
- Klasikaj metodoj povas esti uzataj por krei tiajn aparatojn, sed ilia kosto, produktada tempo kaj grandeco multe reduktiĝos.
Sciencistoj opinias, ke ilia milimetra teraherco-akcelilo estas kompromiso inter konvenciaj akceliloj kiuj estas nuntempe haveblaj kaj mikro-akceliloj kiuj estas evoluigitaj, sed havas multajn malavantaĝojn pro siaj tre malgrandaj dimensioj.
Esploristoj ne neas, ke teraherc-akcela teknologio estas en evoluo de iom da tempo. Tamen, laŭ ilia opinio, ekzistas ankoraŭ multaj aspektoj en ĉi tiu areo, kiuj ne estis studitaj, testitaj aŭ efektivigitaj.
En sia laboro, kiun ni konsideras hodiaŭ, sciencistoj pruvas la kapablojn de STEAM (segmentita teraherca elektrona akcelilo kaj manipulilo) - segmentita teraherca elektrona akcelilo kaj manipulilo. VAPORO ebligas redukti la longon de la elektronradio al sub-pikosekunda tempodaŭro, tiel disponigante femtosekundan kontrolon de la akcela fazo.
Eblis atingi akcelan kampon de 200 MV/m (MV - megavolto), kiu kondukas al rekorda teraherca akcelo de > 70 keV (kiloelektronvolto) de la enigita elektrona fasko kun energio de 55 keV. Tiamaniere oni akiris akcelitajn elektronojn ĝis 125 keV.
Strukturo kaj efektivigo de aparato
Bildo n-ro 1: diagramo de la studata aparato.
Bildo n-ro 1-2: a - diagramo de la evoluinta 5-tavola segmentita strukturo, b - rilatumo de la kalkulita akcelo kaj direkto de elektrona disvastigo.
Elektronradioj (55 keV) estas generitaj de elektrona pafilo* kaj estas enkondukitaj en la teraherca STEAM-buncher (faskokompresoro), post kiu ili pasas en la STEAM-linac (lineara akcelilo*).
Elektrona pafilo* — aparato por generi faskon de elektronoj de la bezonata agordo kaj energio.
Lineara akcelilo* - akcelilo, en kiu ŝarĝitaj partikloj trairas la strukturon nur unufoje, kiu distingas linearan akcelilon de cikla (ekzemple LHC).
Ambaŭ STEAM-aparatoj ricevas terahercpulsojn de ununura preskaŭ-infraruĝa (NIR) lasero, kiu ankaŭ pafas la fotokatodon de la elektronpafilo, rezultigante internan sinkronigon inter elektronoj kaj akcelado de kampoj. Ultraviolaj pulsoj por fotoemisio ĉe la fotokatodo estas generitaj tra du sinsekvaj stadioj GVG* fundamenta ondolongo de preskaŭ-infraruĝa lumo. Ĉi tiu procezo transformas 1020 Nm laseran pulson unue al 510 Nm kaj tiam al 255 Nm.
GVG* (optika dua harmonia generacio) estas la procezo de kombinado de fotonoj de la sama frekvenco dum interagado kun nelinia materialo, kiu kondukas al la formado de novaj fotonoj kun duobla la energio kaj frekvenco, same kiel duono de la ondolongo.
La resto de la NIR-laserradio estas dividita en 4 trabojn, kiuj kutimas generi kvar unuciklajn terahercpulsojn generante intra-pulsajn frekvencdiferencojn.
La du terahercpulsoj tiam estas liveritaj al ĉiu STEAM-aparato tra simetriaj kornstrukturoj kiuj direktas la terahercenergion en la interagadregionon trans la direkto de elektrondisvastigo.
Kiam elektronoj eniras ĉiun STEAM-aparaton, ili estas eksponitaj al elektraj kaj magnetaj komponentoj Lorentz-fortoj*.
Lorentz-forto* - la forto per kiu la elektromagneta kampo agas sur ŝargita partiklo.
En ĉi tiu kazo, la elektra kampo respondecas pri akcelo kaj malakceliĝo, kaj la magneta kampo kaŭzas flankajn deviojn.
Bildo #2
Kiel ni vidas en la bildoj 2a и 2b, Ene de ĉiu STEAM-aparato, la terahercaj traboj estas dividitaj transverse per maldikaj metaltukoj en plurajn tavolojn de ŝanĝiĝanta dikeco, ĉiu el kiuj funkcias kiel ondgvidilo, transdonante parton de la tuta energio al la interaga regiono. Ekzistas ankaŭ dielektraj platoj en ĉiu tavolo por kunordigi la alventempon de la teraherco ondofronto* kun la fronto de elektronoj.
Ondfronto* - la surfaco al kiu la ondo atingis.
Ambaŭ STEAM-aparatoj funkcias en elektra reĝimo, tio estas, tiamaniere trudi elektran kampon kaj subpremi magnetan kampon en la centro de la interaga areo.
En la unua aparato, elektronoj estas tempigitaj por trapasi nul transiro* teraherca kampo, kie tempogradientoj de la elektra kampo estas maksimumigitaj kaj la meza kampo estas minimumigita.
Nula kruciĝo* - punkto kie ne estas streĉiĝo.
Tiu konfiguracio igas la voston de la elektronradio akceli kaj ĝia kapo malakceliĝi, rezultigante balistikan longitudan fokusadon (2a и 2c).
En la dua aparato, la sinkronigado de la elektrono kaj teraherca radiado estas metita tiel ke la elektronradio travivas nur negativan ciklon de la teraherca elektra kampo. Ĉi tiu agordo rezultigas netan kontinuan akcelon (2b и 2d).
La NIR-lasero estas kriogene malvarmetigita Yb:YLF-sistemo kiu produktas optikajn pulsojn de 1.2 ps daŭro kaj 50 mJ energion ĉe ondolongo de 1020 nm kaj ripetofteco de 10 Hz. Kaj terahercaj pulsoj kun centra frekvenco de 0.29 terahercoj (periodo de 3.44 ps) estas generitaj per la klinita pulsfronta metodo.
Por funkciigi la STEAM-buncher (faskokompresoro) nur 2 x 50 nJ da terahercenergio estis uzitaj, kaj la STEAM-linac (linia akcelilo) postulis 2 x 15 mJ.
La diametro de la enirejo kaj elirejo de ambaŭ STEAM-aparatoj estas 120 mikronoj.
La trabo-kompresoro estas desegnita kun tri tavoloj de egala alteco (0 mm), kiuj estas ekipitaj per fandita silicoksidplatoj (ϵr = 225) de longo 4.41 kaj 0.42 mm por kontroli tempigon. La egalaj altecoj de la kompresortavoloj reflektas la fakton ke ekzistas neniu akcelado (2c).
Sed en la lineara akcelilo la altecoj jam estas malsamaj - 0.225, 0.225 kaj 0.250 mm (+ kunfanditaj kvarcaj platoj 0.42 kaj 0.84 mm). Pliiĝo en la alteco de la tavolo klarigas la pliiĝon en la rapideco de elektronoj dum akcelado.
Sciencistoj rimarkas, ke la nombro da tavoloj rekte respondecas pri la funkcieco de ĉiu el la du aparatoj. Atingi pli altajn rapidecojn de akcelado, ekzemple, postulus pli da tavoloj kaj malsamaj altaj konfiguracioj por optimumigi interagadon.
Rezultoj de praktikaj eksperimentoj
Unue, la esploristoj memorigas, ke en tradiciaj radiofrekvencaj akceliloj, la efiko de la tempa amplekso de la enigita elektrona fasko sur la ecoj de la akcelita fasko ŝuldiĝas al la ŝanĝo en la elektra kampo spertita dum la interagado de malsamaj elektronoj ene de la trabo alvenanta. en malsamaj tempoj. Tiel, povas esti atendite ke kampoj kun pli altaj gradientoj kaj traboj kun pli longaj tempodaŭroj kondukos al pli granda energidisvastigo. Injektitaj traboj de longa tempodaŭro ankaŭ povas konduki al pli altaj valoroj emisioj*.
Eligo* — faza spaco okupita de akcelita fasko de ŝarĝitaj partikloj.
Koncerne teraherca akcelilon, la periodo de la ekscitkampo estas proksimume 200 fojojn pli mallonga. Tial, streĉiteco* la subtenata kampo estos 10 fojojn pli alta.
Forto de elektra kampo* - indikilo de la elektra kampo, egala al la proporcio de la forto aplikata al senmova punkta ŝargo metita en difinita punkto en la kampo al la grando de tiu ĉi ŝargo.
Tiel, en teraherca akcelilo, la kampogradientoj travivitaj per elektronoj povas esti pluraj grandordoj pli altaj ol en konvencia aparato. La temposkalo sur kiu la kampa kurbiĝo estas videbla estos signife pli malgranda. El tio sekvas, ke la daŭro de la enmetita elektrona fasko havos pli prononcitan efikon.
Sciencistoj decidis testi ĉi tiujn teoriojn praktike. Por fari tion, ili lanĉis elektronradiojn de malsamaj tempodaŭroj, kiuj estis kontrolitaj per kunpremado uzante la unuan STEAM-aparaton (STEAM-buncher).
Bildo #3
En la kazo kie la kompresoro ne estis ligita al energifonto, faskoj de elektronoj (55 keV) kun ŝargo de ~1 fC (femtocoulomb) pasis proksimume 300 mm de la elektronkanono al la linia akcelila aparato (STEAM-linac). Ĉi tiuj elektronoj povus disetendiĝi sub la influo de spacaj ŝargfortoj ĝis daŭro de pli ol 1000 fs (femtosekundoj).
Ĉe tiu tempodaŭro, la elektrona fasko okupis proksimume 60% de la duon-ondolongo de la akcela kampo kun frekvenco de 1,7 ps, rezultigante post-akcelan energian spektron kun pinto ĉe 115 keV kaj duon-larĝo de la energidistribuo. pli granda ol 60 keV (3a).
Por kompari tiujn rezultojn kun tiuj atenditaj, la situacio de elektrondisvastigo tra linia akcelilo estis simulita kiam la elektronoj estis malsinkronigitaj kun (t.e., malsinkronigi kun) la optimuma injektotempo. Kalkuloj de tiu situacio montris ke la pliiĝo en elektrona energio estas tre dependa de la momento de injekto, malsupren al subpikosekunda temposkalo (3b). Tio estas, kun optimuma agordo, la elektrono spertos plenan duonciklon de teraherca radiada akcelado en ĉiu tavolo (3c).
Se la elektronoj alvenas en malsamaj tempoj, ili spertas malpli da akcelo en la unua tavolo, kio igas ilin daŭri pli longe por vojaĝi tra ĝi. La malsinkronigo tiam pliiĝas en la sekvaj tavoloj, kaŭzante nedeziratan malrapidiĝon (3d).
Por minimumigi la negativan efikon de la tempa etendaĵo de la elektrona fasko, la unua STEAM-aparato funkciis en kunprema reĝimo. La elektronradiodaŭro ĉe la linako estis optimumigita al minimumo de ~350 fs (duona larĝo) agordante la terahercenergion provizitan al la kompresoro kaj ŝanĝante la linakon al elovreĝimo (4b).
Bildo #4
La minimuma radiodaŭro estis fiksita laŭ la daŭro de la fotokatoda UV-pulso, kiu estis ~600 fs. La distanco inter la kompresoro kaj la strio ankaŭ ludis gravan rolon, kiu limigis la rapidecon de la dikiĝanta forto. Kune, ĉi tiuj mezuroj ebligas femtosekundan precizecon en la injektofazo de la akcela fazo.
Sur la bildo 4a oni povas vidi, ke la energidisvastigo de la kunpremita elektrona fasko post optimumigita akcelo en lineara akcelilo malpliiĝas je ~ 4 fojojn kompare kun la nekunpremita. Pro akcelado, la energia spektro de la kunpremita trabo estas ŝanĝita direkte al pli altaj energioj, kontraste al la nekunpremita trabo. La pinto de la energia spektro post akcelo estas proksimume 115 keV, kaj la alt-energia vosto atingas proksimume 125 keV.
Ĉi tiuj ciferoj, laŭ la modesta deklaro de sciencistoj, estas nova akcela rekordo (antaŭ akcelo ĝi estis 70 keV) en la teraherca gamo.
Sed por redukti energian disperson (4a), eĉ pli mallonga trabo devas esti atingita.
Bildo #5
En la kazo de nekunpremita enkondukita trabo, la parabola dependeco de la trabograndeco de la fluo rivelas la transversan emision en la horizontalaj kaj vertikalaj direktoj: εx,n = 1.703 mm*mrad kaj εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kunpremo, siavice, plibonigis la transversan emision je 6 fojojn al εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontala) kaj εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikala).
Indas noti, ke la grado de emisioredukto estas proksimume duoble pli granda ol la grado de radio-daŭroredukto, kio estas mezuro de la nelineareco de la interaga dinamiko kun tempo kiam elektronoj spertas fortan fokuson kaj malfokuson de la magneta kampo dum akcelado (5b и 5c).
Sur la bildo 5b Oni povas vidi, ke elektronoj enkondukitaj en la optimuma tempo spertas la tutan duonciklon de la elektra kampa akcelado. Sed elektronoj kiuj alvenas antaŭ aŭ post la optimuma tempo spertas malpli da akcelo kaj eĉ parta malakceliĝo. Tiaj elektronoj finiĝas kun malpli da energio, proksimume parolante.
Simila situacio estas observita kiam eksponite al magneta kampo. Elektronoj injektitaj en la optimuma tempo spertas simetriajn kvantojn de pozitivaj kaj negativaj kampoj. Se la enkonduko de elektronoj okazis antaŭ la optimuma tempo, tiam estis pli da pozitivaj kampoj kaj malpli da negativaj. Se elektronoj estas enkondukitaj poste ol la optimuma tempo, estos malpli pozitivaj kaj pli negativaj (5c). Kaj tiaj devioj kondukas al tio, ke la elektrono povas devii maldekstren, dekstren, supren aŭ malsupren, depende de sia pozicio rilate al la akso, kio kondukas al pliigo de la transversa impeto responda al fokuso aŭ malfokuso de la trabo.
Por pli detala konatiĝo kun la nuancoj de la studo, mi rekomendas rigardi и al li.
Epilogo
En resumo, akcelila efikeco pliiĝos se la tempodaŭro de la elektrona fasko estas reduktita. En ĉi tiu laboro, la atingebla trabo-daŭro estis limigita de la geometrio de la instalaĵo. Sed, en teorio, la radiodaŭro povas atingi malpli ol 100 fs.
Sciencistoj ankaŭ rimarkas, ke la kvalito de la trabo povas esti plu plibonigita reduktante la altecon de la tavoloj kaj pliigante ilian nombron. Tamen, ĉi tiu metodo ne estas sen problemoj, precipe pliigante la kompleksecon de fabrikado de la aparato.
Ĉi tiu laboro estas la komenca etapo de pli ampleksa kaj detala studo de miniaturversio de lineara akcelilo. Malgraŭ tio, ke la provita versio jam montras bonegajn rezultojn, kiujn oni prave povas nomi rekord-rompado, restas ankoraŭ multe da laboro.
Dankon pro legado, restu scivolemaj kaj havu bonegan semajnon uloj! 🙂
Dankon pro restado ĉe ni. Ĉu vi ŝatas niajn artikolojn? Ĉu vi volas vidi pli interesan enhavon? Subtenu nin farante mendon aŭ rekomendante al amikoj, 30% rabato por uzantoj de Habr sur unika analogo de enirnivelaj serviloj, kiu estis inventita de ni por vi: (havebla kun RAID1 kaj RAID10, ĝis 24 kernoj kaj ĝis 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 fojojn pli malmultekosta? Nur ĉi tie en Nederlando! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ekde $99! Legu pri
fonto: www.habr.com