Väike, aga võimas: miniatuurne lineaarkiiroja, mis püstitas uue rekordi

Meile tuttav printsip "rohkem tähendab võimsamat" on paljudes eluvaldkondades, sealhulgas teaduses ja tehnoloogias, juba ammu vankumatuks saanud. Kuid tänapäeva tingimustes kohtame üha sagedamini vanasõna "väike, aga tugev" praktilist rakendamist. See väljendub nii arvutites, mis varem hõivasid terve ruumi, kui need, mis nüüd mahuvad lapse peopessa, kui ka laetud osakeste kiirendites. Jah, kas mäletate suurt hadronite põrkajat (BHP), mille muljetavaldavad mõõtmed (26 659 m pikk) on tõeliselt kajastatud selle nimetus? Noh, see jääb teadlaste DESY arvates minevikku, kes on välja töötanud miniatuurse versiooni kiirendist, mis omaduste poolest ei jää alla oma täismahus eelkäijale. Veelgi enam, mini kiirendi on isegi seadnud uue maailmarekordi terahertsia kiirendite seas, kahekordistades sisestatud elektronide energiat. Kuidas miniatuurne kiirendi välja töötati, millised on selle töö põhialused ning mida näitasid praktilised eksperimendid? Selle kohta aitab meil teavet saada teadusgrupi ettekannet. Alustame.

Uuringu alus

Dongfang Zhang ja tema kolleegid DESY-st (Saksa Elektronsükkel) ütlesid, et kiired elektronide allikad mängivad tänapäeva ühiskonnas äärmiselt tähtsat rolli. Paljud neist avalduvad meditsiinis, elektroonika arenduses ja teadusuuringutes. Praeguste lineaarsed kiirendid, millel on raadiosageduslike generaatorite probleem, on küllaltki kallid, keerulise infrastruktuuriga ja nõuavad massiliselt energiat. Need puudused piiravad märkimisväärselt selliste tehnoloogiate kergesti kättesaadavust laiemale ringile kasutajatele.

Need ilmne probleemid on suurepärane stiimul seadmete arendamiseks, mille mõõtmed ei põhjusta õudust, nagu ka energiatarbimise tase.

Selle valdkonna suhteliselt uutest lähenemistest võib välja tuua terahertsia kiirendid, mis omavad mitmeid "plussid":

• oodatakse, et terahertsia kiirguse lühikesed lained ja lühikesed impulssid suurendavad oluliselt lävi läbimurdel*, mida põhjustab поле, mis võimaldab suurendada kiirusgradientide väärtusi;

Elektriline läbimurre* — järsk voolu suurenemine, kui rakendada pinget, mis ületab kriitilise taseme.

• efektiivsete meetodite olemasolu kõrgepinge terahertsikiirguse genereerimiseks võimaldab teostada sise-sünkroniseerimist elektronide ja erutusväljade vahel;
• selliste seadmete loomiseks võivad rakenduda klassikalised meetodid, kuid nende maksumus, tootmisaja ja suurused vähenevad oluliselt.

Teadlased usuvad, et nende terahertsikiirendi millimeetri mastaabis on kompromiss tavaliste kiirendite vahel, mis on juba olemas, ja mikro-kiirendite vahel, mis on arendamisel, kuid omavad palju puudusi oma äärmiselt väikeste mõõtmete tõttu.

Uurijad ei välista, et terahertsikiirendustehnoloogia on juba mõnda aega arendamises. Siiski peavad nad, et selles valdkonnas on veel palju aspekte, mis pole uuritud, kontrollitud või realizeeritud.

Omast tööst, mida me täna arutame, näitavad teadlased STEAM (segmenteritud terahertsielektronkiirendi ja manipulaator) — segmenteritud terahertsielektronkiirendi ja manipulaatori võimalusi. STEAM võimaldab vähendada elektronide kimbu pikkust kuni subpikosekundilise kestvuseni, tagades seeläbi femtosekundilise kontrolli kiirenduse faasi üle.

On õnnestunud saavutada kiirusvälja 200 MV/m (MV — megavolt), mis viib rekordilise terahertsikiiruseni > 70 keV (kiloelectronvolt) sisustatud elektronide kimbust, mille energia on 55 keV. Seega on saadud kiirendatud elektronid kuni 125 keV.

Seadme struktuur ja selle teostamine

Pilt Nr 1: uuritava seadme skeem.

Pilt Nr 1-2: a — välja töötatud 5-kihilise segmenteeritud struktuuri skeem, b — arvutatud kiirus ja elektronide leviku suhe.

Elektronid (55 keV) genereeritakse elektronkustutist* ja sisestatakse terahertsise STEAM-kimbupaatori (kimbu kompressor), pärast mida liiguvad nad STEAM-linac (lineaarne kiirendi*).

Elektronkustutis* — seade, mis genereerib elektronide kimbu vajalikus konfiguratsioonis ja energias.

Lineaarne kiirendi* — kiirendi, milles laetud osakesed läbivad struktuuri vaid 1 kord, mis eristab lineaarset kiirendit tsüklilistest (näiteks LHC-st).

Mõlemad STEAM-seadmed saavad terahertsimpulsse ühe läh infrared valguse (NIR) laseri kaudu, mis aktiveerib ka elektronide relva fotokatoodi, mis viib elektronite ja kiirendavate väljade vahelise sisemise sünkroonimiseni. Ultravalgusimpulsid fotokatodi fotoemissiooniks genereeritakse kahes järjestikuses etapis GVG* põhilise lähinfrared valguse lainepikkuse. See protsess muundab 1020 nm lainepikkusega laserimpulsi esmalt 510 nm-ks ja seejärel 255 nm-ks.

GVG* (teise optilise harmoonika genereerimine) — protsess, kus fotonid sama sagedusega liituvad interaktsiooni käigus mitte-lineaarse materjaliga, mis viib uute fotonite moodustumiseni kahekordse energia ja sagedusega, samuti kahekordse lainepikkusega.

Järelejäänud NIR-lasersäde jaguneb neljaks kiirteks, mida kasutatakse nelja ühetöölise terahertsimpulsi genereerimiseks, kasutades impulsi sisesageduste erinevust.

Kaks terahertsimpulsi suunatakse seejärel igasse STEAM-seadmisse sümmeetriliste sarvede struktuuride kaudu, mis suunavad terahertsi energiat interaktsiooni piirkonda elektronide levimise suunas.

Kui elektronid sisenevad igasse STEAM-seadmisse, nad puutuvad kokku elektri- ja magnetiliste komponentidega Lorentzi jõud*.

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

Antud juhul vastutab elektriväli kiirendamise ja aeglustamise eest, samas kui magnetväli põhjustab ristlõike kõrvalekaldeid.

Pilt nr 2

Nagu näeme piltidest 2a ja 2b, igas STEAM-seadmest on terahertskiired jaotatud õhukeste metallkiledega mitmes kihis erineva paksusega, millest igaüks toimib lainete juhina, edastades osa kogu energiast interaktsiooni piirkonda. Igas kihis on ka dielektrilised plaadid, et sünkroniseerida teraherts lainefronti lainefront* elektronite lainefrontiga.

Lainefront* — pind, kuhu lainet on jõudnud.

Mõlemad STEAM-seadmed töötavad elektrirežiimis, st nii, et genereerida elektrivälja ja magnetvälja mahasurumine interaktsiooni keskmes.

Esimeses seadmes arvutatakse elektronid ajaliselt nii, et need läbiksid nullpunkti* terahertsivälja, kus elektrivälja ajagraadid on maksimeeritud ja keskmine väli on minimeeritud.

Nullpunkt* on punkt, kus pole mingit pinget.

Selline konfiguratsioon põhjustab elektronipaki sabas kiiruskasvu ja pea aeglustumist, mis viib ballistilise pikisuunalise fokusseerimiseni (2a ja 2s).

Teises seadmes sünkroonitakse elektron ja terahertsikiirgus nii, et elektronipakk kogeb vaid terahertsilise elektrivälja negatiivset tsüklit. See konfiguratsioon viib puhta pideva kiiruseni (2b ja 2d).

NIR-kiirgusega laser meenutab krüogeenselt jahutatud Yb:YLF süsteemi, mis annab optilisi impulse pikkusega 1,2 ps ja energia 50 mJ lainepikkusel 1020 nm ja kordussagedusel 10 Hz. Teraherts impulse, mille keskfreqents on 0,29 terahertsi (periood 3,44 ps), genereeritakse kaldega impulsi esiosa meetodil.

STEAM-buncheri (paketi kompressor) toiteks kasutati vaid 2 x 50 nJ terahertsienergiat ja STEAM-linaci (lineaarne kiirendi) jaoks oli vajalik 2 x 15 mJ.

Nii sisend- kui väljundaugud mõlemas STEAM-seadmesses on 120 μm.

Paketi kompressor on kujundatud kolme sama kõrgusega kihti (0,225 mm), mis on varustatud sulatatud kvartsist plaatidega (ϵr = 4,41) pikkusega 0,42 ja 0,84 mm ajasünkroonimise kontrollimiseks. Kompressori kihtide võrdsed kõrgused peegeldavad fakti, et kiirus ei toimu (2s).

Kuid lineaarses kiirendis on kõrgused erinevad — 0,225, 0,225 ja 0,250 mm (+ sulatatud kvartsplaadid 0,42 ja 0,84 mm). Kihi kõrguse suurenemine selgitab elektronide kiiruskasvu kiirendamise ajal.

Teadlased märkisid, et kihtide arv vastab otse üksiku kahe seadme funktsionaalsusele. Näiteks, suurema kiiruskasvu saavutamiseks on vaja suuremat kihtide arvu ja erinevat kõrguse konfiguratsiooni interaktsiooni optimeerimiseks.

Praktiliste katsete tulemused

Esiteks tuletavad teadlased meelde, et traditsioonilistes raadiosageduslikel kiirenditel on sisestatud elektronikiire ajaliselt ulatuslikkuse mõju kiirendatud kiirgusele seotud elektrivälja muutumisega, mida kogevad erinevad elektronid kiirus, mis sisenevad eri aegadel. Seega võib oletada, et suure gradientiga väljad ja pikema kestusega kiired toovad kaasa suure arvu energiaid. Suure kestvusega sisestatud kiired võivad samuti viia kõrgemate väärtusteni. emitaanid*.

Emitaan* — faasiruum, mille hõivavad kiirendatud laetud osakestest kiired.

Terahetzi kiirendi puhul on stimuleerimise väli periood umbes 200 korda lühem. Seega, pingetugevus* toetatud väli on 10 korda kõrgem.

Elektrivälja tugevus* — elektrivälja näitaja, mis on võrdne jõu suhtena, mis on rakendatud liikumatule punktlaengule, mis on paigutatud antud väli punkti, selle laengu suurusele.

Seega võivad terahetzi kiirendis elektroonide kogemused olla mitu korda kõrgemad kui tavalise seadme puhul. Aeg, millal välja kõverus on märgatav, on seejuures oluliselt väiksem. Seega on järelikult sisestatud elektronide kiire kestus olulisem.

Teadlased otsustasid praktiliselt kontrollida teooria andmeid. Selleks sisestasid nad erineva kestvusega elektronikiired, mille kestust kontrolliti esimeses STEAM seadmes (STEAM-buncher).

Pilt nr 3

Juhtudel, kui kompressor ei olnud ühendatud toiteliiniga, läbisid elektronikiired (55 keV) laenguga ~1 fC (femtokulon) ligikaudu 300 mm elektronipüstolist lineaarse kiirendi seadmeni (STEAM-linac). Need elektronid võisid laieneda ruumilise laengu jõudude tõttu kestusega üle 1000 fs (femtosekund).

Sellise kestusega hõivas elektronikiir umbes 60% kiirendava välja poollaine frekventsiga 1,7 ps, mis viis energia spektrini pärast kiirendust tipuga 115 keV ja energiajaotuse poole laiusega üle 60 keV (3a).

Oodatud tulemuste võrdlemiseks modelleeriti olukord elektronide levikust lineaarses kiirendajas, kus elektronid olid de-sünkroniseeritud (st. ei olnud kooskõlas) optimaalse sisendiajaga. Sellise olukorra arvutused näitasid, et elektronide energia tõus sõltub väga palju sisendi hetkest, isegi subpikosekundite ajaskaalas (3b). See tähendab, et optimaalse seadistuse korral tunneb elektron end igas kihis tserahertsise kiirguse täieliku kiirusperioodi all (3s).

. Kui elektronid aga jõuavad erinevatel aegadel, tunnevad nad esimeses kihis vähem kiirusenergiat, mistõttu on neil selle läbimiseks rohkem aega. Seejärel süveneb de-sünkroniseerimine järgmistes kihtides, põhjustades soovimatut aeglustumist (3d).

Kuna elektronide kimpude ajalisest laiust negatiivse efekti maksimeerimise vältimiseks töötas esimene STEAM seade kokkupressimisrežiimis. Elektronide kimbu kestust lineaarses kiirendajas optimeeriti miinimumini ~ 350 fs (täistasapind) tserahertsienergia seadistamise ja lineaarsest kiirendajast mustrisse lülitumisega (4b).

Pilt nr 4

Kimbu minimaalne kestus määrati vastavalt fotokatoodi UV-pulsi kestusele, mis oli ~ 600 fs. Samuti mängis olulist rolli kompressori ja ribade vahemaa, mis piirab kiirusel kokkutõmbumise tugevust. Üheskoos võimaldavad need meetmed tagada femtosekundilise sünkroonsuse täpsuse kiirusetapis.

Pildil 4a On selgelt nähtav, et optimeeritud kiirusel lineaarses kiirendajas pressitud elektronide kimbu energia hajumine väheneb ~ 4 korda võrreldes pressimata kimpudega. Kiirus tõukab pressitud kimbu energiaspektri kõrgemate energiate suunas, erinevalt pressimata kimpudest. Kiirusenergeetika tipp pärast kiirendamist on umbes 115 keV, samas kui kõrgeenergia saba ulatub umbes 125 keV.

Need näitajad, teadlaste tagasihoidlikul väitel, on uus rekord kiirusetõusu jaoks (enne kiirus oli 70 keV) tserahertsispektris.

Kuid energiavähenemise vähendamiseks (4a) on vajalik saavutada veel lühikesem kimp.

Pilt nr 5

Kui pressimata sisestatud pihusti korral paljastab paraboliline sõltuvus pihusti suurusest voolust ristnurgalise emiteerimise horisontaalses ja vertikaalses suunas: εx,n = 1,703 mm*mrad ja εy,n = 1,491 mm*mrad (5а).

Surumine aga omakorda parandas ristnurgalist emiteerimist kuue korra, ulatudes εx,n = 0,285 mm*mrad (horisontaalne) ja εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikaalne).

Oluline on märkida, et emiteerimise vähenemise aste on umbes kaks korda suurem kui pihusti kestvuse lühenemise aste, mis on mõõt, mis iseloomustab mitte-lineaarset dünaamikat interaktsioonis ajaga, kus elektronid kogevad tugevat fokuseerimist ja defokuseerimist magnetväljas kiirusel (5b ja 5с).

Pildil 5b on nähtav, et optimaalsel ajal sisestatud elektronid kogevad kogu elektrivälja kiirusest poolperioodi. Samas kogevad elektronid, kes saabuvad enne või pärast optimaalse hetke, vähem kiirendust ja isegi osalist aeglustumist. Sellised elektronid saavad seetõttu vähem energiat, kui nii öelda.

Sarnane olukord toimub ka magnetvälja mõjude korral. Optimaalsel ajal sisestatud elektronid kogevad sümmeetriliselt nii positiivseid kui ka negatiivseid magnetvälju. Kui aga elektronide sisestamine toimus varem optimaalsest hetkest, siis oli rohkem positiivseid välju ja vähem negatiivseid. Kui elektronid sisestati hiljem optimaalsest ajast — siis on vähem positiivseid ja rohkem negatiivseid (5с). Sellised kõrvalekalded viivad selleni, et elektron võib kalduda vasakule, paremale, üles või alla sõltuvalt telje asendist, mis toob kaasa ristimpulsi suurenemise, mis vastab kiirguse fokuseerimisele või defokuseerimisele.

Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda teadlaste raportiga ja täiendavate materjalidega selle juurde.

Epilog

Kokkuvõttes suureneb kiirendi tootlikkus elektronide pihusti kestvuse lühenemise korral. Käesolevas töös oli saavutatav pihusti kestvus piiratud seadme geomeetriaga. Kuid teoorias võib pihusti kestvus ulatuda isegi alla 100 fs.

Samuti märgivad teadlased, et pihusti kvaliteeti saab tulevikus parandada kihtide kõrguse vähendamise ja nende arvu suurendamise kaudu. Kuid see meetod ei ole vaba probleemidest, sealhulgas seadme valmistamise keerukuse suurenemisest.

See töö on miniatuurse lineaarsete kiirendite ulatuslikuma ja detailsema uurimise esialgne etapp. Kuigi katsetatud versioon näitab juba suurepäraseid tulemusi, mida võib õigustatult nimetada rekorditeks, on veel palju tegemata.

Tänan tähelepanu eest, jääge uudishimulikuks ja head töönädalat, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse esitamise või tuttavatele soovitamisega, 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: Kogu tõde VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 tuuma) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas õigesti serverit jagada? (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma 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 Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest Kuidas luua ettevõtte tasemel infrastruktuuri, kasutades Dell R730xd E5-2650 v4 servereid, mille hind on 9000 eurot, taskukohase hinna eest?

Allikas: habr.com