El conocido principio de que “más es más poderoso” se ha establecido desde hace mucho tiempo en muchos sectores de la sociedad, incluidos la ciencia y la tecnología. Sin embargo, en la realidad moderna, la implementación práctica del dicho "pequeño pero poderoso" se está volviendo cada vez más común. Esto se manifiesta tanto en los ordenadores, que antes ocupaban una habitación entera, pero que ahora caben en la palma de un niño, como en los aceleradores de partículas cargadas. Sí, ¿recuerda el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cuyas impresionantes dimensiones (26 m de longitud) se indican literalmente en su nombre? Esto ya es cosa del pasado, según los científicos de DESY, que han desarrollado una versión en miniatura del acelerador, que no es inferior en rendimiento a su predecesor de tamaño completo. Además, el miniacelerador incluso estableció un nuevo récord mundial entre los aceleradores de terahercios, duplicando la energía de los electrones incorporados. ¿Cómo se desarrolló el acelerador en miniatura, cuáles son los principios básicos de su funcionamiento y qué han demostrado los experimentos prácticos? El informe del grupo de investigación nos ayudará a saberlo. Ir.
Base de investigación
Según Dongfang Zhang y sus colegas del DESY (sincrotrón electrónico alemán), que desarrollaron el miniacelerador, las fuentes de electrones ultrarrápidas desempeñan un papel increíblemente importante en la vida de la sociedad moderna. Muchos de ellos aparecen en la medicina, el desarrollo de la electrónica y la investigación científica. El mayor problema de los aceleradores lineales actuales que utilizan osciladores de radiofrecuencia es su alto coste, su compleja infraestructura y su impresionante consumo de energía. Y tales deficiencias limitan en gran medida la disponibilidad de dichas tecnologías para una gama más amplia de usuarios.
Estos problemas obvios son un gran incentivo para desarrollar dispositivos cuyo tamaño y consumo de energía no causen horror.
Entre las novedades relativas en esta industria se encuentran los aceleradores de terahercios, que tienen una serie de “beneficios”:
- Se espera que las ondas cortas y los pulsos cortos de radiación de terahercios aumenten significativamente el umbral. descomponer*, provocado por el campo, que aumentará los gradientes de aceleración;
Avería eléctrica* - un fuerte aumento en la intensidad de la corriente cuando se aplica un voltaje superior al crítico.
- la presencia de métodos eficaces para generar radiación de terahercios de alto campo permite la sincronización interna entre los electrones y los campos de excitación;
- Se pueden utilizar métodos clásicos para crear dichos dispositivos, pero su costo, tiempo de producción y tamaño se reducirán considerablemente.
Los científicos creen que su acelerador de terahercios de escala milimétrica es un compromiso entre los aceleradores convencionales actualmente disponibles y los microaceleradores que se están desarrollando, pero que tienen muchas desventajas debido a sus dimensiones muy pequeñas.
Los investigadores no niegan que la tecnología de aceleración de terahercios ya lleva algún tiempo en desarrollo. Sin embargo, en su opinión, aún quedan muchos aspectos en este ámbito que no han sido estudiados, probados o implementados.
En su trabajo, que estamos considerando hoy, los científicos demuestran las capacidades de STEAM (Acelerador y manipulador de electrones de terahercios segmentados.) - un manipulador y acelerador de electrones de terahercios segmentados. STEAM permite reducir la longitud del haz de electrones a una duración inferior a picosegundos, proporcionando así control de femtosegundos sobre la fase de aceleración.
Se logró alcanzar un campo de aceleración de 200 MV/m (MV - megavoltio), lo que conduce a una aceleración récord de terahercios de > 70 keV (kiloelectronvoltio) a partir del haz de electrones incorporado con una energía de 55 keV. De esta forma se obtuvieron electrones acelerados hasta 125 keV.
Estructura e implementación del dispositivo.
Imagen No. 1: diagrama del dispositivo en estudio.
Imagen No. 1-2: a - diagrama de la estructura segmentada de 5 capas desarrollada, b - relación de la aceleración calculada y la dirección de propagación de los electrones.
Los haces de electrones (55 keV) se generan a partir de pistola de electrones* y se introducen en el STEAM-buncher (compresor de haz) de terahercios, después de lo cual pasan al STEAM-linac (Acelerador lineal*).
Pistola de electrones* — un dispositivo para generar un haz de electrones de la configuración y energía requeridas.
Acelerador lineal* - un acelerador en el que las partículas cargadas atraviesan la estructura sólo una vez, lo que distingue un acelerador lineal de uno cíclico (por ejemplo, el LHC).
Ambos dispositivos STEAM reciben pulsos de terahercios de un único láser de infrarrojo cercano (NIR), que también dispara el fotocátodo del cañón de electrones, lo que da como resultado una sincronización interna entre los electrones y los campos de aceleración. Los pulsos ultravioleta para la fotoemisión en el fotocátodo se generan a través de dos etapas sucesivas. GVG* longitud de onda fundamental de la luz infrarroja cercana. Este proceso convierte un pulso láser de 1020 nm primero a 510 nm y luego a 255 nm.
GVG* (generación óptica de segundo armónico) es el proceso de combinar fotones de la misma frecuencia durante la interacción con un material no lineal, lo que conduce a la formación de nuevos fotones con el doble de energía y frecuencia, así como la mitad de la longitud de onda.
El resto del rayo láser NIR se divide en 4 haces, que se utilizan para generar cuatro pulsos de terahercios de ciclo único generando diferencias de frecuencia intrapulso.
Luego, los dos pulsos de terahercios se envían a cada dispositivo STEAM a través de estructuras de bocina simétricas que dirigen la energía de terahercios hacia la región de interacción en la dirección de propagación de los electrones.
Cuando los electrones ingresan a cada dispositivo STEAM, quedan expuestos a componentes eléctricos y magnéticos. Fuerzas de Lorentz*.
Fuerza de Lorentz* - la fuerza con la que actúa el campo electromagnético sobre una partícula cargada.
En este caso, el campo eléctrico es responsable de la aceleración y desaceleración, y el campo magnético provoca las desviaciones laterales.
Imagen #2
Como vemos en las imágenes. 2a и 2b, Dentro de cada dispositivo STEAM, los haces de terahercios se dividen transversalmente mediante finas láminas de metal en varias capas de diferente espesor, cada una de las cuales actúa como una guía de ondas, transfiriendo parte de la energía total a la región de interacción. También hay placas dieléctricas en cada capa para coordinar el tiempo de llegada de los terahercios. frente de onda* con el frente de electrones.
Frente de onda* - la superficie a la que ha llegado la ola.
Ambos dispositivos STEAM funcionan en modo eléctrico, es decir, de tal manera que imponen un campo eléctrico y suprimen un campo magnético en el centro del área de interacción.
En el primer dispositivo, los electrones están programados para pasar a través no hay paso* Campo de terahercios, donde se maximizan los gradientes de tiempo del campo eléctrico y se minimiza el campo promedio.
No hay paso* - un punto donde no hay tensión.
Esta configuración hace que la cola del haz de electrones se acelere y su cabeza se desacelere, lo que resulta en un enfoque longitudinal balístico (2a и 2с).
En el segundo dispositivo, la sincronización de la radiación de electrones y de terahercios se ajusta de modo que el haz de electrones experimente sólo un ciclo negativo del campo eléctrico de terahercios. Esta configuración da como resultado una aceleración neta continua (2b и 2d).
El láser NIR es un sistema Yb:YLF enfriado criogénicamente que produce pulsos ópticos de 1.2 ps de duración y 50 mJ de energía a una longitud de onda de 1020 nm y una tasa de repetición de 10 Hz. Y los pulsos de terahercios con una frecuencia central de 0.29 terahercios (período de 3.44 ps) se generan mediante el método del frente de pulso inclinado.
Para alimentar el STEAM-buncher (compresor de haz) solo se utilizaron 2 x 50 nJ de energía de terahercios, y el STEAM-linac (acelerador lineal) requirió 2 x 15 mJ.
El diámetro de los orificios de entrada y salida de ambos dispositivos STEAM es de 120 micras.
El compresor de viga está diseñado con tres capas de igual altura (0 mm), las cuales están equipadas con placas de sílice fundida (ϵr = 225) de longitud 4.41 y 0.42 mm para controlar la sincronización. Las alturas iguales de las capas compresoras reflejan el hecho de que no hay aceleración (2с).
Pero en el acelerador lineal las alturas ya son diferentes: 0.225, 0.225 y 0.250 mm (+ placas de cuarzo fundido de 0.42 y 0.84 mm). Un aumento en la altura de la capa explica el aumento en la velocidad de los electrones durante la aceleración.
Los científicos señalan que el número de capas es directamente responsable de la funcionalidad de cada uno de los dos dispositivos. Lograr mayores tasas de aceleración, por ejemplo, requeriría más capas y diferentes configuraciones de altura para optimizar la interacción.
Resultados de experimentos prácticos.
En primer lugar, los investigadores recuerdan que en los aceleradores de radiofrecuencia tradicionales, el efecto de la extensión temporal del haz de electrones incorporado sobre las propiedades del haz acelerado se debe al cambio en el campo eléctrico experimentado durante la interacción de diferentes electrones dentro del haz que llega. En Diferentes Momentos. Por lo tanto, se puede esperar que los campos con gradientes más altos y haces con duraciones más largas conduzcan a una mayor dispersión de energía. Los haces inyectados de larga duración también pueden dar lugar a valores más altos emisiones*.
Emitancia* — espacio de fase ocupado por un haz acelerado de partículas cargadas.
En el caso de un acelerador de terahercios, el período del campo de excitación es aproximadamente 200 veces más corto. Por eso, tensión* el campo admitido será 10 veces mayor.
Intensidad del campo eléctrico* - un indicador del campo eléctrico, igual a la relación entre la fuerza aplicada a una carga puntual estacionaria colocada en un punto determinado del campo y el valor de esta carga.
Así, en un acelerador de terahercios, los gradientes de campo experimentados por los electrones pueden ser varios órdenes de magnitud mayores que en un dispositivo convencional. La escala de tiempo en la que se nota la curvatura del campo será significativamente menor. De esto se deduce que la duración del haz de electrones introducido tendrá un efecto más pronunciado.
Los científicos decidieron poner a prueba estas teorías en la práctica. Para ello, introdujeron haces de electrones de diferentes duraciones, que fueron controlados por compresión utilizando el primer dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Imagen #3
En el caso en que el compresor no estaba conectado a una fuente de energía, haces de electrones (55 keV) con una carga de aproximadamente 1 fC (femtoculombio) pasaron aproximadamente 300 mm desde el cañón de electrones hasta el dispositivo acelerador lineal (STEAM-linac). Estos electrones podrían expandirse bajo la influencia de fuerzas de carga espacial hasta una duración de más de 1000 fs (femtosegundos).
En esta duración, el haz de electrones ocupó aproximadamente el 60% de la media longitud de onda del campo de aceleración a una frecuencia de 1,7 ps, lo que dio como resultado un espectro de energía posterior a la aceleración con un pico a 115 keV y una mitad del ancho de la distribución de energía. mayor que 60 keV (3a).
Para comparar estos resultados con los esperados, se simuló la situación de propagación de electrones a través de un acelerador lineal cuando los electrones no estaban sincronizados con (es decir, no sincronizados con) el tiempo de inyección óptimo. Los cálculos de esta situación mostraron que el aumento de la energía de los electrones depende en gran medida del momento de la inyección, hasta una escala de tiempo de subpicosegundos (3b). Es decir, con una configuración óptima, el electrón experimentará un medio ciclo completo de aceleración de radiación de terahercios en cada capa (3с).
Si los electrones llegan en momentos diferentes, experimentan menos aceleración en la primera capa, lo que hace que tarden más en recorrerla. La desincronización aumenta entonces en las siguientes capas, provocando una desaceleración no deseada (3d).
Para minimizar el efecto negativo de la extensión temporal del haz de electrones, el primer dispositivo STEAM funcionó en modo de compresión. La duración del haz de electrones en el linac se optimizó a un mínimo de ~350 fs (la mitad del ancho) ajustando la energía de terahercios suministrada al compresor y cambiando el linac al modo de eclosión (4b).
Imagen #4
La duración mínima del haz se estableció de acuerdo con la duración del pulso UV del fotocátodo, que fue de ~600 fs. La distancia entre el compresor y la banda también jugó un papel importante, lo que limitó la velocidad de la fuerza espesante. Juntas, estas medidas permiten una precisión de femtosegundos en la fase de inyección de la fase de aceleración.
en la imagen 4a Se puede ver que la dispersión de energía del haz de electrones comprimido después de una aceleración optimizada en un acelerador lineal disminuye ~ 4 veces en comparación con uno sin comprimir. Debido a la aceleración, el espectro de energía del haz comprimido se desplaza hacia energías más altas, a diferencia del haz no comprimido. El pico del espectro de energía después de la aceleración es de aproximadamente 115 keV y la cola de alta energía alcanza aproximadamente 125 keV.
Estas cifras, según la modesta declaración de los científicos, representan un nuevo récord de aceleración (antes era de 70 keV) en el rango de los terahercios.
Pero para reducir la dispersión de energía (4a), se debe conseguir un haz aún más corto.
Imagen #5
En el caso de un haz introducido sin comprimir, la dependencia parabólica del tamaño del haz con 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 6 veces a εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) y εy,n = 0,246 mm*mrad (vertical).
Vale la pena señalar que el grado de reducción de la emitancia es aproximadamente dos veces mayor que el grado de reducción de la duración del haz, que es una medida de la no linealidad de la dinámica de interacción con el tiempo cuando los electrones experimentan un fuerte enfoque y desenfoque del campo magnético durante la aceleración (5b и 5с).
en la imagen 5b Se puede observar que los electrones introducidos en el momento óptimo experimentan todo el semiciclo de aceleración del campo eléctrico. Pero los electrones que llegan antes o después del tiempo óptimo experimentan menos aceleración e incluso una desaceleración parcial. Dichos electrones terminan con menos energía, en términos generales.
Una situación similar se observa cuando se expone a un campo magnético. Los electrones inyectados en el momento óptimo experimentan cantidades simétricas de campos magnéticos positivos y negativos. Si la introducción de electrones se produjo antes del momento óptimo, entonces había más campos positivos y menos negativos. Si los electrones se introducen más tarde del momento óptimo, habrá menos positivos y más negativos (5с). Y tales desviaciones conducen al hecho de que el electrón puede desviarse hacia la izquierda, hacia la derecha, hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de su posición con respecto al eje, lo que conduce a un aumento en el momento transversal correspondiente al enfoque o desenfoque del haz.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar и a él.
El acto final
En resumen, el rendimiento del acelerador aumentará si se reduce la duración del haz de electrones. En este trabajo, la duración del haz alcanzable estaba limitada por la geometría de la instalación. Pero, en teoría, la duración del haz puede llegar a menos de 100 fs.
Los científicos también señalan que la calidad del haz se puede mejorar aún más reduciendo la altura de las capas y aumentando su número. Sin embargo, este método no está exento de problemas, en particular que aumentan la complejidad de la fabricación del dispositivo.
Este trabajo es la etapa inicial de un estudio más extenso y detallado de una versión en miniatura de un acelerador lineal. A pesar de que la versión probada ya está mostrando excelentes resultados, que con razón se pueden calificar de récord, todavía queda mucho trabajo por hacer.
¡Gracias por su atención, manténganse curiosos y que tengan una excelente semana para todos! 🙂
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Fuente: habr.com