El principio familiar de "más significa más potente" se ha arraigado desde hace tiempo en muchos sectores de la sociedad, incluyendo la ciencia y la tecnología. Sin embargo, en la realidad actual, se encuentra cada vez más la aplicación práctica del dicho "pequeño pero poderoso". Esto se observa tanto en las computadoras que antes ocupaban una habitación entera y ahora caben en la palma de la mano de un niño, como en los aceleradores de partículas. Sí, recuerdan el gran colisionador de hadrones (LHC), cuyos dimensiones impresionantes (26,659 m de longitud) están literalmente indicadas en su nombre? Según los científicos del DESY, que han desarrollado una versión miniature del acelerador, esto ya es cosa del pasado. De hecho, el miniacelerador incluso ha establecido un nuevo récord mundial entre los aceleradores terahertz, duplicando la energía de los electrones inyectados. ¿Cómo fue desarrollado este acelerador miniature, cuáles son los principios básicos de su funcionamiento y qué mostraron los experimentos prácticos? La presentación del grupo de investigación nos ayudará a descubrirlo. ¡Vamos allá!
Base de la investigación
Según Dongfang Zhang y sus colegas del DESY (Centro de Sincronización de Electrones Alemán), quienes desarrollaron el miniacelerador, las fuentes de electrones ultrarrápidas juegan un papel increíblemente importante en la vida de la sociedad moderna. Muchas de ellas se manifiestan en la medicina, el desarrollo de la electrónica y en investigaciones científicas. El mayor problema de los aceleradores lineales actuales, que utilizan generadores de radiofrecuencia, es su costo, la complejidad de la infraestructura y su impresionante demanda de potencia. Estas desventajas limitan en gran medida la accesibilidad de estas tecnologías para un público más amplio.
Estos problemas evidentes son un excelente estímulo para el desarrollo de dispositivos cuyo tamaño no cause horror, así como su consumo de energía.
Entre las relativamentes nuevas innovaciones en este campo, se pueden destacar los aceleradores terahertz, que tienen una serie de "ventajas":
- se espera que las ondas cortas y los pulsos cortos de la radiación terahertz permitan aumentar significativamente el umbral de ruptura*, causado por el campo, lo que permitirá aumentar los gradientes de aceleración;
Ruptura eléctrica* — un aumento brusco de la corriente al aplicar un voltaje superior al crítico.
- la disponibilidad de métodos eficaces para la generación de radiación terahertz de alto campo permite realizar sincronización interna entre electrones y campos de excitación;
- se pueden aplicar métodos clásicos para la creación de tales dispositivos, pero su costo, tiempo de producción y dimensiones se reducirán considerablemente.
Los científicos creen que su acelerador terahertz a escala milimétrica es un compromiso entre los aceleradores convencionales que existen actualmente y los microaceleradores que se están desarrollando, pero que tienen muchas desventajas debido a sus tamaño extremadamente pequeño.
Los investigadores no niegan que la tecnología de aceleración terahertz ha estado en desarrollo durante algún tiempo. Sin embargo, en su opinión, todavía hay muchos aspectos en esta área que no han sido estudiados, probados o implementados.
En su trabajo, que estamos revisando hoy, los científicos demuestran las capacidades de STEAM (acelerador y manipulador electrónico terahertz segmentado) — un acelerador y manipulador electrónico terahertz segmentado. STEAM permite reducir la longitud del haz de electrones a una duración subpicosengundal, proporcionando así un control femtosegundo sobre la fase de aceleración.
Se logró alcanzar un campo de aceleración de 200 MV/m (MV — megavoltio), lo que conduce a un aceleración terahertz récord de > 70 keV (kilo-electronvoltio) a partir del haz de electrones incorporado con una energía de 55 keV. Así, se obtuvieron electrones acelerados hasta 125 keV.
Estructura del dispositivo y su implementación
Imagen No. 1: esquema del dispositivo en estudio.
Imagen No. 1-2: a — esquema de la estructura segmentada de 5 capas desarrollada, b — relación entre la aceleración calculada y la dirección de propagación de los electrones.
Los haces de electrones (55 keV) se generan a partir de una pistola electrónica* y se inyectan en el STEAM-buncher terahertz (compresor de haz), después de lo cual pasan al STEAM-linac (acelerador lineal*).
Pistola electrónica* — dispositivo de generación de un haz de electrones con la configuración y energía necesarias.
Acelerador lineal* — acelerador en el que las partículas cargadas atraviesan la estructura solo 1 vez, lo que distingue al acelerador lineal del cíclico (por ejemplo, el LHC).
Ambos dispositivos STEAM reciben impulsos terahertz de un solo láser de luz infrarroja cercana (NIR), que también activa el fotocátodo de la pistola electrónica, llevando a una sincronización interna entre los electrones y los campos aceleradores. Los impulsos ultravioletas para la fotoemisión en el fotocátodo se generan a través de dos etapas sucesivas. GVG* de longitud de onda principal de luz infrarroja cercana. Este proceso convierte el pulso láser de 1020 nm primero a 510 nm y luego a 255 nm.
GVG* (generación de la segunda armónica óptica) — es el proceso de combinación de fotones de la misma frecuencia durante la interacción con un material no lineal, lo que resulta en la formación de nuevos fotones con el doble de energía y frecuencia, y con una longitud de onda dos veces menor.
El resto del haz de láser NIR se divide en 4 haces, que se utilizan para generar cuatro impulsos terahertz de un solo ciclo mediante la generación de diferencias de frecuencias intrapulsos.
Dos impulsos terahertz luego entran en cada dispositivo STEAM a través de estructuras de cuerno simétricas, que dirigen la energía terahertz al área de interacción a través de la dirección de propagación de los electrones.
Cuando los electrones entran en cada uno de los dispositivos STEAM, están sujetos a los componentes eléctricos y magnéticos de la fuerza de Lorentz*.
La fuerza de Lorentz* — es la fuerza con la que un campo electromagnético actúa sobre una partícula cargada.
En este caso, el campo eléctrico es responsable de la aceleración y desaceleración, mientras que el campo magnético provoca desviaciones transversales.
Imagen Nº 2
Como podemos ver en las imágenes 2a y 2b, dentro de cada dispositivo STEAM, los haces terahertz se dividen transversalmente por delgadas láminas metálicas en varias capas de diferente grosor, cada una de las cuales actúa como un guía de ondas que transporta parte de la energía total al área de interacción. También hay placas dieléctricas en cada capa para ajustar el tiempo de llegada del frente terahertz del frente de onda* con el frente de electrones.
Frente de onda* — es la superficie hasta donde ha llegado la onda.
Ambos dispositivos STEAM operan en modo eléctrico, es decir, de manera que producen superposición del campo eléctrico y supresión del campo magnético en el centro del área de interacción.
En el primer dispositivo, los electrones están temporizados de tal manera que atraviesan el cruce cero* del campo terahertz, donde los gradientes temporales del campo eléctrico están maximizados y el campo promedio está minimizado.
Cruce cero* es el punto donde no hay tensión alguna.
Tal configuración provoca la aceleración de la cola del haz de electrones y la desaceleración de su cabeza, lo que conduce a una focalización balística longitudinal (2a y 2c).
En el segundo dispositivo, la sincronización del electrón y la radiación terahertz se establece de tal manera que el haz de electrones experimenta solo el ciclo negativo del campo eléctrico terahertz. Tal configuración conduce a una aceleración continua limpia (2b y 2d).
Un láser con radiación NIR se asemeja a un sistema Yb:YLF refrigerado criogénicamente, que produce pulsos ópticos con una duración de 1.2 ps y una energía de 50 mJ a una longitud de onda de 1020 nm y una frecuencia de repetición de 10 Hz. Y los pulsos terahertz con una frecuencia central de 0.29 terahertz (un periodo de 3.44 ps) se generan mediante el método del frente de pulso inclinado.
Para alimentar el STEAM-buncher (compresor de haz), se utilizó solo 2 x 50 nJ de energía terahertz, mientras que el STEAM-linac (acelerador lineal) requirió 2 x 15 mJ.
El diámetro de las aberturas de entrada y salida de ambos dispositivos STEAM es de 120 μm.
El compresor de haz está diseñado con tres capas de igual altura (0.225 mm), que están equipadas con placas de cuarzo fundido (ϵr =4.41) de 0.42 y 0.84 mm de longitud para controlar la sincronización temporal. Las alturas iguales de las capas del compresor reflejan el hecho de que no ocurre aceleración (2c).
En cambio, en el acelerador lineal, las alturas son diferentes — 0.225, 0.225 y 0.250 mm (+ placas de cuarzo fundido de 0.42 y 0.84 mm). El aumento de la altura de la capa explica el aumento de la velocidad de los electrones durante la aceleración.
Los científicos señalan que el número de capas responde directamente a la funcionalidad de cada uno de los dos dispositivos. Para lograr un mayor grado de aceleración, por ejemplo, se requerirán más capas y otra configuración de alturas para optimizar la interacción.
Resultados de experimentos prácticos
En primer lugar, los investigadores recuerdan que en los aceleradores tradicionales basado en radiofrecuencia, la influencia de la duración temporal del haz de electrones introducido sobre las propiedades del haz acelerado está relacionada con el cambio en el campo eléctrico experimentado durante la interacción de diferentes electrones dentro del haz que llegan en diferentes momentos. Por lo tanto, se puede suponer que los campos con un mayor gradiente y los haces de mayor duración llevarán a una mayor dispersión de energías. Los haces introducidos de larga duración también pueden dar lugar a valores más altos. emitancias*.
Emitancia* — el espacio de fase que ocupa un haz acelerado de partículas cargadas.
En el caso del acelerador terahertz, el período del campo de excitación es aproximadamente 200 veces más corto. Por lo tanto, la intensidad* del campo mantenido será 10 veces mayor.
La intensidad del campo eléctrico* — es una medida del campo eléctrico, igual a la relación de la fuerza aplicada sobre una carga puntual en reposo colocada en un punto dado del campo, a la magnitud de esa carga.
Por lo tanto, en el acelerador terahertz, los gradientes de campo experimentados por los electrones pueden ser varios órdenes de magnitud más altos que en un dispositivo convencional. La escala temporal en la que la curvatura del campo es notable será significativamente menor. De esto se deduce que la duración del haz de electrones introducido tendrá una influencia más pronunciada.
Los científicos decidieron poner a prueba estos datos teóricos en la práctica. Para ello, introdujeron haces de electrones de diferentes duraciones, controladas mediante la compresión gracias al primer dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Imagen Nº 3
En el caso en que el compresor no estaba conectado a la fuente de alimentación, los haces de electrones (55 keV) con una carga de aproximadamente 1 fC (femtoculón) recorrían aproximadamente 300 mm desde la pistola electrónica hasta el dispositivo de aceleración lineal (STEAM-linac). Estos electrones podían expandirse bajo la influencia de fuerzas de carga espacial hasta una duración de más de 1000 fs (femtosegundos).
A esta duración, el haz de electrones ocupaba aproximadamente el 60% de medio ciclo del campo acelerador con una frecuencia de 1.7 ps, lo que resultaba en un espectro energético después de la aceleración con un pico en 115 keV y un ancho de media distribución de energía de más de 60 keV.3a).
Para comparar estos resultados con los esperados, se simuló una situación de propagación de electrones a través de un acelerador lineal, cuando los electrones estaban desincronizados (es decir, no coincidían) en relación con el tiempo óptimo de inyección. Los cálculos de tal situación mostraron que el aumento de energía de los electrones depende en gran medida del momento de inyección, hasta el rango temporal subpico.3b). Es decir, con una configuración óptima, el electrón experimentará medio período completo de aceleración de la radiación terahertz en cada capa.3c).
Si los electrones llegan en diferentes momentos, experimentan una menor aceleración en la primera capa, lo que les requiere más tiempo para atravesarla. Luego, la desincronización se intensifica en las siguientes capas, lo que provoca un retraso no deseado.3d).
Para minimizar el efecto negativo de la duración temporal del paquete de electrones, el primer dispositivo STEAM funcionó en modo de compresión. La duración del paquete de electrones en el acelerador lineal se optimizó a un mínimo de ~ 350 fs (ancho de media altura) ajustando la energía terahertz suministrada al compresor y cambiando el acelerador lineal al modo de trazado.4b).
Imagen número 4
La duración mínima del paquete se estableció de acuerdo con la duración del pulso UV del fotocátodo, que era de aproximadamente ~ 600 fs. También tuvo un papel importante la distancia entre el compresor y la línea, lo que limitaba la fuerza de compresión por velocidad. En conjunto, estas medidas permiten lograr una precisión de fase femtosegundos en la etapa de aceleración.
En la imagen 4a Se observa que la dispersión de energía del paquete de electrones comprimido después de la aceleración optimizada en el acelerador lineal se reduce en aproximadamente 4 veces en comparación con el no comprimido. Gracias a la aceleración, el espectro energético del paquete comprimido se desplaza hacia energías más altas, a diferencia del paquete no comprimido. El pico del espectro energético después de la aceleración es de aproximadamente 115 keV, mientras que la cola de alta energía alcanza alrededor de 125 keV.
Estos valores, según la modesta declaración de los científicos, son un nuevo récord de aceleración (antes de la aceleración era 70 keV) en el rango teraherz.
Sin embargo, para reducir la dispersión de energía (4a), es necesario alcanzar un paquete aún más corto.
Imagen Nº 5
En el caso de un tren de pulsos no comprimido, la dependencia parabólica del tamaño del pulso con respecto a la corriente revela la emitancia transversal en las direcciones horizontal y vertical: εx,n = 1.703 mm*mrad y εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
La compresión, a su vez, mejoró la emitancia transversal seis veces hasta εx,n = 0.285 mm*mrad (horizontal) y εy,n = 0.246 mm*mrad (vertical).
Cabe destacar que el grado de reducción de la emitancia es aproximadamente el doble que el grado de reducción de la duración del pulso, lo que es una medida de la no linealidad de la dinámica de la interacción con el tiempo, cuando los electrones experimentan una fuerte focalización y desfocalización del campo magnético durante la aceleración (5b y 5c).
En la imagen 5b es evidente que los electrones introducidos en el momento óptimo experimentan todo el semiperíodo de aceleración del campo eléctrico. En cambio, los electrones que llegan antes o después del momento óptimo experimentan una menor aceleración e incluso una desaceleración parcial. Como resultado, tales electrones obtienen menos energía, en términos generales.
Se observa una situación similar al aplicar el campo magnético. Los electrones introducidos en el momento óptimo experimentan una cantidad simétrica de campos magnéticos positivos y negativos. Si la introducción de electrones ocurrió antes del momento óptimo, había más campos positivos y menos negativos. En el caso de introducir electrones después del momento óptimo, había menos campos positivos y más negativos (5c). Estas desviaciones conducen a que el electrón pueda desviarse hacia la izquierda, derecha, arriba o abajo, dependiendo de su posición relativa al eje, lo que resulta en un aumento del impulso transversal, correspondiente a la focalización o desfocalización del haz.
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a y a ello.
Epílogo
En resumen, el rendimiento del acelerador aumentará en caso de reducir la duración del pulso de electrones. En este trabajo, la duración alcanzable del pulso se limitó por la geometría del dispositivo. Sin embargo, en teoría, la duración del pulso puede llegar a ser inferior a 100 fs.
Además, los científicos señalan que la calidad del pulso se puede mejorar posteriormente reduciendo la altura de las capas y aumentando su número. Sin embargo, este método no está exento de problemas, en particular, el aumento de la complejidad en la fabricación del dispositivo.
Este trabajo es la etapa inicial de un estudio más amplio y detallado de la versión miniatura del acelerador lineal. A pesar de que la versión probada ya muestra excelentes resultados, que se pueden considerar récords, aún queda mucho por hacer.
¡Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que tengan una buena semana laboral, chicos! 🙂
Gracias por seguir con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más material interesante? Apóyanos realizando un pedido o recomendándonos a tus conocidos, 30% de descuento para los usuarios de Habr en una alternativa única a los servidores de nivel de entrada, que hemos diseñado para usted: (disponibles opciones con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).
¿Dell R730xd a la mitad de precio? Solo aquí ¡en los Países Bajos! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — ¡desde $99! Lee sobre cómo
Fuente: habr.com
