Väike, aga võimas: miniatuurne lineaarselt osakeste kiirendi, mis kuulutab uut rekordit

Meile tuttav «rohkem tähendab tugevam» printsiip on pikka aega kinnistunud paljudes eluvaldkondades, sealhulgas teaduses ja tehnoloogias. Siiski, kaasaegsetes tingimustes kohtab üha sagedamini vanasõna «väike, aga võimas» praktilist rakendamist. See kajastub nii arvutites, mis varem võtsid terve toa, kuid nüüd mahuvad lapse peopesasse, kui ka laetud osakeste kiirendites. Jah, kas mäletate suurt hadronite põrkeseadet (LHC), mille muljetavaldavad mõõtmed (26 659 m pikkune) on otseselt selle nimes kajastatud? Niisiis, teadlaste arvates DESY-st on see juba minevik, kuna nad on arendanud miniatuurse versiooni kiirendist, mis jõudluselt ei jää alla oma täissuuruses eelkäijale. Veelgi enam, mini kiirendi on isegi seadnud uusi maailmarekordeid terahertsides kiirendites, kahekordistades sisestatud elektronide energiat. Kuidas miniatuurne kiirendi välja töötati, millised on selle põhiviisid ja mida näitasid praktilised katsed? Sellest aitab meid teavitus uurimisrühma poolt. Alustame.

Uuringu alus

Dongfang Zhang ja tema kolleegid DESY-st (Saksa Elektroniline Sünkrotron), kes töötasid välja mini-kiirendi, usuvad, et superkiired elektronide allikad mängivad äärmiselt olulist rolli kaasaegses ühiskonnas. Need avalduvad paljuski meditsiinis, elektroonika arendamises ja teadusuuringutes. Suurim probleem praegustes lineaarsetes kiirendites, mis kasutavad raadiosagedusgeneraatoreid, on nende kõrged kulud, infrastruktuuri keerukus ja märkimisväärsed energiakulud. Need puudused piiravad oluliselt selliste tehnoloogiate kättesaadavust laiemale kasutajaskonnale.

Need ilmsed probleemid on suurepärane stiimul seadmete arendamiseks, mille mõõtmed ei tekita hirmu, samuti nende energiatarbimise tase.

Tööstusesse on viimase ajal ilmunud teraherts-kiirendid, millel on mitmeid "eeliseid":

• oodatakse, et lühikesed lained ja lühikesed terahertskiirguse impulsi lubavad märkimisväärselt suurendada läbipaistvust*,mida vallandab väli, mis võimaldab suurendada kiirusgradientide taset;

Elektriline läbipääs* — järsk voolu suurenemine, kui rakendatakse pinget, mis ületab kriitilise.

• tõhusate meetodite olemasolu kõrgepinge terahertskiirguse genereerimiseks võimaldab teostada sise-sünkroniseerimist elektronide ja ergastusväljade vahel;
• selliste seadmete loomiseks võivad kasutada klassikalisi meetodeid, kuid nende maksumus, tootmisaja ja mõõtmed vähenevad oluliselt.

Teadlased arvavad, et nende terahertskiirendi millimeetri mõõtkavas on kompromiss tavaliste kiirendite vahel, mis hetkel olemas on, ja mikro-kiirendite vahel, mis on arendamisel, kuid sisaldavad palju puudusi, kuna nende mõõtmed on väga väikesed.

Uurijad ei välista, et terahertskiirenduse tehnoloogia on juba mõnda aega arenduses. Siiski usuvad nad, et selles valdkonnas on veel palju aspekte, mis ei ole uuritud, kontrollitud ega realiseeritud.

Oma töös, mida me täna käsitleme, demonstreerivad teadlased STEAM-i võimalusi (segmenteeritud teraherts elektronkiirendi ja manipulaator) — segmenteritud teraherts elektrikiirendi ja manipulaatori. STEAM võimaldab vähendada elektronide paki pikkust subpikosekundilise kestvusega, tagades seeläbi femtosekundilise kontrolli kiirenduse faasi üle.

Õnnestus saavutada kiirenduse väli 200 MV/m (MV — megavolt), mis toob kaasa rekordilise teraherts kiirenduse > 70 keV (kiloelectronvolt) sisestatud 55 keV energia elektronipakist. Seega on saadud kiirendatud elektronid kuni 125 keV.

Seadme struktuur ja selle teostus

Pilt №1: uuritava seadme skeem.

Pilt №1-2: a — välja töötatud 5-kihilise segmenteritud struktuuri skeem, b — arvutatud kiirenduse suhe ja elektronide levimise suund.

Elektronipakid (55 keV) genereeritakse elektronipüstolist* ja sisestatakse teraherts STEAM-buncherisse (pakendi kompressor), seejärel liiguvad STEAM-linacisse (lineaarne kiirendi*).

Elektronipüstol* — elektronide vajaliku konfiguratsiooni ja energia paki genereerimise seade.

Lineaarne kiirendi* — kiirendaja, kus laetud osakesed läbivad struktuuri vaid kord, mis eristab lineaari kiirendajat tsüklilisest (nt LHC).

Mõlemad STEAM seadmed saavad terahertsimpulsse ühest lähispektri infrapunageyserist (NIR), mis käivitab ka fotokatoodi elektronipüssi, tuues kaasa sisemise sünkroonimise elektronide ja kiirendavate väljade vahel. Ultravioletimpulsid fotoemissiooniks fotokatoodis genereeritakse läbi kahe järjestikuse etapi. GVG* peamiseks lähispektri infrapunavalguse lainepikkuseks. See protsess muundab laserimpulsi lainepikkusega 1020 nm esmalt 510 nm-ks ja seejärel 255 nm-ks.

GVG* (teise optilise harmoonika genereerimine) — protsess, kus sama sagedusega fotonid ühenduvad, kui nad suhtlevad mitte-lineaarse materjaliga, tekitades uusi fotoneid, mille energia ja sagedus on kahekordsed ning lainepikkus on poolahel.

Ülejäänud NIR-laseri kiir jaguneb neljaks kiireks, mida kasutatakse nelja ühekordse terahertsimpulsi genereerimiseks, genereerides impulsside vahelise sageduste erinevuse.

Kaks terahertsilist impulssi jõuavad igasse STEAM-seadmestikku sümmeetriliste sarvedestruktuuride kaudu, mis suunavad terahertsienergia interaktsiooni piirkonda elektronide levimise suunas.

Kui elektronid siseneb igasse STEAM-seadmestikku, mõjutavad neid elektrilised ja magnetilised komponendid. Lorentzi jõud*.

Lorentzi jõud* on jõud, millega elektromagnetväli mõjutab laetud osakest.

Sel juhul vastutab elektriväli kiirendamise ja aeglustamise eest, samas kui magnetväli põhjustab ristmisi kõrvalekaldeid.

Pilt nr 2

Nagu näeme piltidel 2a ja 2b, on igas STEAM-seadmestikus terahertsikiired jagatud õhukeste metallplaatide kaudu mitmetesse kihtidesse erineva paksusega, millest igaühel on lainejuhi funktsioon, edastades osa kogu energiast interaktsiooni piirkonda. Igas kihis on samuti dielektrilised plaadid, et sünkroniseerida terahertsilaine tuleku aega lainefront* elektronide lainetega.

Lainefront* on pind, kuhu laine on jõudnud.

Mõlemad STEAM-seadmed töötavad elektrirežiimis, see tähendab, et nad loovad elektrivälja ja pärsivad magnetvälja interaktsioonipiirkonna keskmes.

Esimeses seadmes on elektronid ajaliselt kalkuleeritud nii, et nad läbivad nulli ristumist* terahertsise väljade, kus elektrivälja ajagraadid on maksimeeritud ja keskmine väli minimaalne.

Nulli ristumine* on punkt, kus ei ole mingit pinget.

Selline konfiguratsioon põhjustab elektronipaketi sabas kiirusetõusu ja pea aeglustumist, mis viib ballistilise pikifokuseerimiseni (2a ja 2c).

Teises seadmes on elektronide ja terahertsispektri sünkroonimine seadistatud nii, et elektronipakett kogeb ainult terahertsilise elektrivälja negatiivset tsüklit. Selline konfiguratsioon viib puhtalt pideva kiirusetõusuni (2b ja 2d).

NIR kiirgusega laser sarnaneb kriogeense jahutusega Yb:YLF süsteemiga, mis toodab 1,2 ps kestvusega optilisi impulsse 50 mJ energiaga ja lainetuse pikkuse 1020 nm ning korduskiirus 10 Hz. Terahertsimpulsid kesksete sagedustega 0,29 terahertsi (periood 3,44 ps) genereeritakse kalde impulsi meetodil.

STEAM-paketi (kiiruskompressori) toiteks kasutati vaid 2 x 50 nJ terahertsienergiat, samas kui STEAM-linaci (lineaarne kiirendi) jaoks oli vajalik 2 x 15 mJ.

Kaasikute sisseseente ja väljundite diameeter mõlemal STEAM seadmel on 120 μm.

Kiiruskompressor on projekteeritud kolme sama kõrgusega (0,225 mm) kihiga, mis on varustatud sulatud kvartsplaadiga (ϵr = 4,41) pikkusega 0,42 ja 0,84 mm ajasünkroniseerimise kontrollimiseks. Kihide võrdne kõrgus kompressoris peegeldab tõsiasja, et kiirus ei toimu (2c).

Kuid lineaarse kiirendi kõrgused erinevad — 0,225, 0,225 ja 0,250 mm (+ sulatatud kvartsplaadid 0,42 ja 0,84 mm). Kihikõrguse suurenemine seletab elektronide kiirusest errekti suurenemist.

Teadlased märgivad, et kihtide arv mõjutab otseselt kahe seadme funktsionaalsust. Näiteks suurema kiiruseni jõudmiseks on vajalik rohkem kihte ja erinev kõrguste konfiguratsioon, et optimeerida koostoimet.

Praktiliste katsete tulemused

Esiteks tuletavad uurijad meelde, et traditsioonilistes raadiosageduste kiirendites mõjutab sisestatud elektronide kiirguse ajapikkus kiirendatud pildi omadusi elektrivälja muutuse tõttu, millega erinevad elektronid, mis sisenevad eri aegadel, kogevad koostoimet. Seega võib oletada, et suurema gradientiga väljad ja pikema kestusega kiirgused toovad kaasa suurema energia hajumise. Pikemad kiirgused võivad samuti viia kõrgemate väärtusteni. emittance*.

Emittance* — faaside ruum, mida hõivab kiirendatud laetud osakeste kimp.

Teraherts kiirendi puhul on väljade erutusperiood ligikaudu 200 korda lühem. Seega pinges* toetatud väli tõuseb 10 korda kõrgemale.

Elektriliste väljade intensiivsus* — elektrivälja näitaja, mis on võrdne jõu suhtega, mis toimub paigalolevale punktlaengule, asetatuna antud välja punkti, selle laengu suurusele.

Seega võivad teraherts-kiirendites elektronite kogemused välja gradiente olla mitu korda kõrgemad kui tavalistes seadmetes. Aeg, mille jooksul välja kõverus on märgatav, on seejuures oluliselt väiksem. Seetõttu avaldab sisseviidud elektronide paki kestus tugevamat mõju.

Teadlased otsustasid praktikas kontrollida teooria andmeid. Selleks viidi nad sisse erineva kestusega elektronide pakke, mille kestust kontrolliti esimese STEAM-seadmest (STEAM-buncher) kokkuvajutamise abil.

Pilt nr 3

Juhul, kui kompressor ei olnud ühendatud toiteallikaga, läbisid elektrooniliste relvade (55 kэV) koormusega ∼1 fC (femtokoolomb) paksus umbes 300 mm elektronide tulest kuni lineaarkiirendi seadmeni (STEAM-linac). Need elektronid võisid laieneda ruumilise laengu jõudude toimel kestvusele üle 1000 fs (femtosekundi).

Sellise kestvuse korral hõivas elektronkiirgus umbes 60% kiirendava välja poollainest sagedusel 1,7 ps, mille tulemusena oli kiirendusejärgne energia spekter teraviku 115 keV ja energiajaotuse täislaius ületas 60 keV (3a).

Nende tulemuste võrdlemiseks oodatutega simuleeriti olukorda, kus elektronid levivad läbi lineaarse kiirendi, kui elektronid olid destsinkroniseeritud (st ei kattunud) optimaalse sisenemisajaga. Sellega seotud arvutused näitasid, et elektronide energia suurenemine sõltub väga sisenemishetkest isegi subpikosekundiliste ajaskaalade ulatuses (3b). See tähendab, et optimaalse seadistuse korral kogeb elektron iga kihi jooksul teraahelise kiirguse täielikku poolperioodi (3s).

Kui aga elektronid jõuavad erineval ajal, kogevad nad esimese kihi puhul väiksemat kiirendust, mistõttu on neil selle läbimiseks rohkem aega. Seejärel intensiivistub destsinkroniseerimine järgnevates kihtides, põhjustades soovimatut aeglustumist (3d).

Kuna vähendada elektronikiire ajutist negatiivset mõju, töötas esimene STEAM seade kokkusurumise režiimis. Elektronkiire kestus lineaarses kiirendajas optimeeriti minimaalselt ~ 350 fs (täislaine laius) terahertsienergiat reguleerides, mis toidab kompressorit, ja muutes lineaarsi kiirendi joonistusrežiimiks.4b).

Joonis №4

Minimaalne kiirus kestus määrati vastavalt fotokatoodi UV-pulsi kestusele, mille kestus oli ~ 600 fs. Ka kompressori ja riba vahemaa mängis olulist rolli, piirates tiheduse tugevust kiirusel. Kokkuvõttes võimaldavad need meetmed tagada femtosekundilise sisestusfaasi täpsuse kiirendusetapis.

Pildil 4a On näha, et pärast optimeeritud kiirusvõimendi töötlust väheneb kokkusurutud elektronikiire energia hajumine ligikaudu 4 korda võrreldes kokkusurumata kiirgusega. Kiirusvõimendi tõttu nihkub kokkusurutud kiire energia spekter kõrgemate energiate suunas, erinevalt kokkusurumata kiirusest. Kiirusvõimendi pärast on energia spektri tipp ligikaudu 115 keV ja kõrgeenergia saba ulatub umbes 125 keV.

Need näitajad, teadlaste tagasihoidliku väite kohaselt, on uus rekord kiirusvõimendi valdkonnas (enne kiirusvõimendi tööd oli 70 keV) terahertsialusel.

Kuid energia hajumise vähendamiseks (4a), on vaja saavutada veelgi lühem kiirus.

Pilt nr 5

Kokkusurumata kiirusvoogude juhiste korral loob paraboliline sõltuvus kiirusvoo suurusest voolu põhjal horisontaalse ja vertikaalse ülemineku emissioonide: εx,n = 1,703 mm*mrad ja εy,n = 1,491 mm*mrad (5a).

Kokkusurumine aga parandas ülemineku emissiooni 6 korda, saavutades εx,n = 0,285 mm*mrad (horisontaalne) ja εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikaalne).

Tuleb märkida, et emissioonimäära vähenemine on umbes kaks korda suurem kui kiirusetappi vähenemine, mis on mittelineaarsuse mõõt dünaamilistes ajamõjudes, kui elektronid tunnevad tugevat magnetvälja fookustamist ja lahtifookustamist kiirendamise jooksul (5b ja 5c).

Pildil 5b on selgelt näha, et õigel ajal sisenevad elektronid kogevad kogu elektrivälja kiirusetapi poolperioodi. Kuid elektronid, mis sisenevad enne või pärast optimaalset hetke, kogevad väiksemat kiirusetappi ja isegi osalist aeglustumist. Sellised elektronid saavad seetõttu vähem energiat, nagu öeldakse.

Sarnane olukord esineb ka magnetväljaga. Õigel ajal sisenevad elektronid kogevad sümmeetrilist hulka positiivseid ja negatiivseid magnetvälju. Kui elektronide sisestamine toimus enne optimaalse hetke saabumist, siis oli rohkem positiivseid ja vähem negatiivseid välju. Kui elektronid sisenevad optimaalsest hetkest hiljem — siis on vähem positiivseid ja rohkem negatiivseid.5c). Sellised kõrvalekalded võivad põhjustada elektronide kõrvalekaldumist vasakule, paremale, üles või alla sõltuvalt telje suhtes asendist, mis suurendab ristsuuna impulssi, mis vastab kiiri fookustamisele või defookustamisele.

Kuna soovid teema nüanssidega lähemat tutvust teha, soovitame vaadata teadlaste aruannet ja täiendavad materjalid selle juurde.

Epilog

Kokkuvõttes paranevad kiirendi jõudlus lühendades elektronide pundi kestust. Antud töös oli saavutatav pundi kestus piiratud seadme geomeetria tõttu. Teoreetiliselt võib pundi kestus olla alla 100 fs.

Samuti märgivad teadlased, et pundi kvaliteeti on võimalik veelgi parandada kihtide kõrguse vähendamise ja nende arvu suurendamise kaudu. Siiski ei ole see meetod probleemideta, peamiselt seadme tootmisraskuste suurenemise tõttu.

Antud töö on esialgne etapp ulatuslikumast ja põhjalikumast miniatuurse lineaarkiiduki uurimisest. Kuigi katsetatud versioon näitab juba suurepäraseid tulemusi, mida võib õigustatult nimetada rekorditeks, on veel palju tööd teha.

Aitäh tähelepanu eest, olge uudishimulikud ja head kogu nädalat tööle, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Soovite rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse vormistamise või soovituste jagamisega sõpradele. 30% soodustus Habra kasutajatele meie ainulaadsetelt entry-level serveritelt, mis on loodud just teile: Kõik VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 südamikku) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas serverit õigesti jagada? (saadaval on RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 südamikku ja kuni 40GB DDR4).

Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB alates $199 Hollandi turul! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege, kuidas Luua ettevõtte tasemel infrastruktuur Dell R730xd E5-2650 v4 serveritega, mille hind on 9000 eurot, madala hinnaga?

Allikas: habr.com