Tuntud põhimõte „rohkem, seda võimsam“ on paljudes ühiskonnasektorites, sealhulgas teaduses ja tehnoloogias, juba ammu juurdunud. Kaasaegses reaalsuses on aga ütluse “väike, aga vägev” praktiline rakendamine aina levinum. See avaldub nii arvutites, mis varem võtsid enda alla terve ruumi, kuid nüüd mahtusid lapse peopessa, kui ka laetud osakeste kiirendites. Jah, mäletate Large Hadron Colliderit (LHC), mille muljetavaldavad mõõtmed (pikkus 26 659 m) on selle nimes sõna otseses mõttes märgitud? Seega on see DESY teadlaste sõnul juba minevik, kui nad on välja töötanud kiirendi miniatuurse versiooni, mis ei jää jõudluse poolest alla täissuuruses eelkäijale. Veelgi enam, minikiirendi püstitas terahertsikiirendite seas isegi uue maailmarekordi, kahekordistades sisseehitatud elektronide energiat. Kuidas miniatuurset kiirendit arendati, millised on selle tööpõhimõtted ja mida on näidanud praktilised katsed? Seda aitab meil teada saada uurimisrühma aruanne. Mine.
Uurimistöö alus
Minikiirendi välja töötanud Dongfang Zhangi ja tema kolleegide DESY (Saksamaa elektronsünkrotron) sõnul mängivad ülikiired elektroniallikad kaasaegse ühiskonna elus uskumatult olulist rolli. Paljud neist ilmuvad meditsiinis, elektroonikaarenduses ja teadusuuringutes. Praeguste raadiosageduslikke ostsillaatoreid kasutavate lineaarsete kiirendite suurim probleem on nende kõrge hind, keeruline infrastruktuur ja muljetavaldav energiatarve. Ja sellised puudused piiravad suuresti selliste tehnoloogiate kättesaadavust laiemale kasutajaskonnale.
Need ilmsed probleemid on suureks stiimuliks selliste seadmete väljatöötamiseks, mille suurus ja energiatarve ei tekita õudust.
Selle tööstuse suhteliste uuenduste hulgas on terahertsi kiirendid, millel on mitmeid eeliseid:
- Eeldatakse, et terahertsi kiirguse lühikesed lained ja lühikesed impulsid tõstavad lävi oluliselt lagunema*, mis on põhjustatud väljast, mis suurendab kiirenduse gradiente;
Elektriline rike* - voolutugevuse järsk tõus, kui rakendatakse üle kriitilise pinge.
- tõhusate meetodite olemasolu kõrgvälja terahertskiirguse tekitamiseks võimaldab sisemist sünkroniseerimist elektronide ja ergastusväljade vahel;
- Selliste seadmete loomiseks saab kasutada klassikalisi meetodeid, kuid nende maksumus, tootmisaeg ja suurus vähenevad oluliselt.
Teadlased usuvad, et nende millimeetri skaala terahertsi kiirendi on kompromiss praegu saadaolevate tavaliste kiirendite ja väljatöötamisel olevate mikrokiirendite vahel, millel on aga väga väikeste mõõtmete tõttu palju puudusi.
Teadlased ei eita, et terahertsi kiirenduse tehnoloogiat on arendatud juba mõnda aega. Kuid nende hinnangul on selles valdkonnas veel palju aspekte, mida pole uuritud, testitud ega rakendatud.
Oma töös, mida me täna kaalume, näitavad teadlased STEAM-i võimeid (segmenteeritud terahertsi elektronkiirendaja ja manipulaator) – segmenteeritud terahertsi elektronkiirendi ja manipulaatoriga. STEAM võimaldab elektronkiire pikkust vähendada pikosekundilise kestuseni, pakkudes seeläbi kiirendusfaasi femtosekundilist kontrolli.
Oli võimalik saavutada kiirendusväli 200 MV/m (MV - megavolt), mis toob kaasa 70 keV energiaga sisseehitatud elektronkiire rekordilise terahertsi kiirenduse > 55 keV (kiloelektronvolt). Nii saadi kuni 125 keV kiirendatud elektronid.
Seadme struktuur ja teostus
Pilt nr 1: uuritava seadme skeem.
Pilt nr 1-2: a - väljatöötatud 5-kihilise segmenteeritud struktuuri diagramm, b - arvutatud kiirenduse ja elektronide levimissuuna suhe.
Elektronkiired (55 keV) tekitatakse elektronkahur* ja sisestatakse terahertsi STEAM-punnerisse (kiirkompressor), misjärel suunatakse need STEAM-linacisse (lineaarne kiirendi*).
elektronpüstol* — seade vajaliku konfiguratsiooni ja energiaga elektronkiire genereerimiseks.
Lineaarne kiirendi* - kiirendi, milles laetud osakesed läbivad struktuuri ainult üks kord, mis eristab lineaarset kiirendit tsüklilisest (näiteks LHC).
Mõlemad STEAM-seadmed saavad terahertsiimpulsse ühest lähiinfrapuna- (NIR) laserilt, mis tulistab ka elektronpüstoli fotokatoodi, mille tulemuseks on sisemine sünkroniseerimine elektronide ja kiirendusväljade vahel. Ultraviolettimpulsid fotoemissiooniks fotokatoodil genereeritakse kahe järjestikuse etapi kaudu GVG* lähiinfrapuna valguse põhilainepikkus. See protsess teisendab 1020 nm laserimpulsi esmalt 510 nm-ks ja seejärel 255 nm-ks.
GVG* (optiline teine harmooniline genereerimine) on sama sagedusega footonite ühendamise protsess interaktsiooni ajal mittelineaarse materjaliga, mille tulemuseks on uute footonite moodustumine kahekordse energia ja sagedusega ning poole lainepikkusega.
Ülejäänud osa NIR laserkiirest jagatakse neljaks kiireks, mida kasutatakse nelja ühetsüklilise terahertsiimpulsi genereerimiseks, genereerides impulssisiseseid sageduserinevusi.
Seejärel edastatakse kaks terahertsi impulssi igasse STEAM-seadmesse sümmeetriliste sarvstruktuuride kaudu, mis suunavad terahertsi energia interaktsioonipiirkonda elektronide levimise suunas.
Kui elektronid sisenevad igasse STEAM-seadmesse, puutuvad nad kokku elektriliste ja magnetiliste komponentidega Lorentzi jõud*.
Lorentzi jõud* - jõud, millega elektromagnetväli mõjub laetud osakesele.
Sel juhul vastutab kiirenduse ja aeglustamise eest elektriväli ning magnetväli põhjustab külgsuunalisi kõrvalekaldeid.
Pilt nr 2
Nagu piltidelt näeme 2а и 2b, Igas STEAM-seadmes on terahertsikiired jagatud põiki õhukeste metalllehtedega mitmeks erineva paksusega kihiks, millest igaüks toimib lainejuhina, kandes osa koguenergiast interaktsioonipiirkonda. Igas kihis on ka dielektrilised plaadid terahertsi saabumisaja koordineerimiseks lainefront* elektronide esiosaga.
lainefront* - pind, kuhu laine on jõudnud.
Mõlemad STEAM-seadmed töötavad elektrirežiimis, st nii, et interaktsiooniala keskel tekitatakse elektrivälja ja summutatakse magnetvälja.
Esimeses seadmes ajastatakse elektronid läbima nulliületus* terahertsi väli, kus elektrivälja ajagradiendid on maksimeeritud ja keskmine väli minimeeritud.
Nullületus* - punkt, kus pole pinget.
See konfiguratsioon põhjustab elektronkiire saba kiirenemist ja selle pea aeglustumist, mille tulemuseks on ballistiline pikisuunaline teravustamine (2а и 2c).
Teises seadmes on elektroni ja terahertsi kiirguse sünkroniseerimine seatud nii, et elektronkiir kogeb ainult terahertsi elektrivälja negatiivset tsüklit. Selle konfiguratsiooni tulemuseks on pidev netokiirendus (2b и 2d).
NIR-laser on krüogeenselt jahutatud Yb:YLF-süsteem, mis toodab optilisi impulsse kestusega 1.2 ps ja energiaga 50 mJ lainepikkusel 1020 nm ja kordussagedusega 10 Hz. Ja terahertsiimpulsid kesksagedusega 0.29 terahertsi (periood 3.44 ps) genereeritakse kaldimpulsi frondi meetodil.
STEAM-buncheri (kiirkompressori) toiteks kasutati ainult 2 x 50 nJ terahertsi energiat ja STEAM-linac (lineaarne kiirendi) vajas 2 x 15 mJ.
Mõlema STEAM seadme sisse- ja väljalaskeava läbimõõt on 120 mikronit.
Kiirkompressor on konstrueeritud kolme võrdse kõrgusega (0 mm) kihiga, mis on ajastuse reguleerimiseks varustatud sulatatud ränidioksiidi plaatidega (ϵr = 225), mille pikkus on 4.41 ja 0.42 mm. Kompressori kihtide võrdsed kõrgused peegeldavad asjaolu, et kiirendus puudub (2c).
Kuid lineaarkiirendis on kõrgused juba erinevad - 0.225, 0.225 ja 0.250 mm (+ sulatatud kvartsplaadid 0.42 ja 0.84 mm). Kihi kõrguse suurenemine seletab elektronide kiiruse suurenemist kiirenduse ajal.
Teadlased märgivad, et kihtide arv on otseselt vastutav mõlema seadme funktsionaalsuse eest. Näiteks suurema kiirenduse saavutamiseks oleks interaktsiooni optimeerimiseks vaja rohkem kihte ja erineva kõrgusega konfiguratsioone.
Praktiliste katsete tulemused
Esiteks tuletavad teadlased meelde, et traditsioonilistes raadiosageduskiirendites on sisseehitatud elektronkiire ajalise ulatuse mõju kiirendatud kiire omadustele tingitud elektrivälja muutusest, mida kogetakse erinevate elektronide koosmõjul saabuvas kiires. erinevatel aegadel. Seega võib eeldada, et suuremate gradientidega väljad ja pikema kestusega kiired toovad kaasa suurema energiajaotuse. Pikaajalised süstitud kiired võivad samuti põhjustada suuremaid väärtusi emissioonid*.
Emittants* — faasiruum, mille hõivab kiirendatud laetud osakeste kiir.
Terahertsilise kiirendi puhul on ergastusvälja periood ligikaudu 200 korda lühem. Seega pinge* toetatud väli on 10 korda suurem.
Elektrivälja tugevus* - elektrivälja indikaator, mis on võrdne välja antud punkti asetatud statsionaarsele punktlaengule rakendatud jõu ja selle laengu suuruse suhtega.
Seega võivad terahertsi kiirendis elektronide kogetavad väljagradiendid olla mitu suurusjärku suuremad kui tavalises seadmes. Ajaskaala, mille jooksul välja kõverus on märgatav, on oluliselt väiksem. Sellest järeldub, et sisestatud elektronkiire kestusel on rohkem väljendunud mõju.
Teadlased otsustasid neid teooriaid praktikas testida. Selleks võtsid nad kasutusele erineva kestusega elektronkiired, mida juhiti kokkusurumise teel esimese STEAM-seadme (STEAM-buncher) abil.
Pilt nr 3
Juhul, kui kompressor ei olnud ühendatud toiteallikaga, liikusid elektronkiired (55 keV) laenguga ~1 fC (femtokulomb) umbes 300 mm kaugusel elektronkahurist lineaarsesse kiirendisse (STEAM-linac). Need elektronid võivad ruumi laengujõudude mõjul laieneda kuni 1000 fs (femtosekundi) kestuseni.
Selle kestuse ajal hõivas elektronkiir umbes 60% kiirendusvälja poollainepikkusest sagedusega 1,7 ps, mille tulemuseks oli kiirendusejärgne energiaspekter, mille tipp on 115 keV ja poollaius energiajaotusest suurem kui 60 keV (3а).
Nende tulemuste võrdlemiseks oodatud tulemustega simuleeriti elektronide levimise olukorda läbi lineaarse kiirendi, kui elektronid olid optimaalse süstimisajaga sünkroonist väljas (st sünkroonist väljas). Selle olukorra arvutused näitasid, et elektronide energia suurenemine on väga sõltuv süstimise hetkest kuni subpikosekundilise ajaskaalani (3b). See tähendab, et optimaalse seadistuse korral kogeb elektron igas kihis terahertsi kiirguskiirenduse täielikku pooltsüklit (3c).
Kui elektronid saabuvad erinevatel aegadel, kogevad nad esimeses kihis väiksemat kiirendust, mistõttu nende läbimine võtab kauem aega. Seejärel suureneb desünkroniseerimine järgmistes kihtides, põhjustades soovimatut aeglustumist (3d).
Elektronkiire ajalise pikendamise negatiivse mõju minimeerimiseks töötas esimene STEAM-seade kompressioonirežiimis. Elektronkiire kestus linakil optimeeriti minimaalselt ~ 350 fs-ni (poollaius), häälestades kompressorisse tarnitud terahertsi energiat ja lülitades linaki viirutusrežiimi (4b).
Pilt nr 4
Kiire minimaalne kestus määrati vastavalt fotokatoodi UV-impulsi kestusele, mis oli ~ 600 fs. Olulist rolli mängis ka kompressori ja riba vaheline kaugus, mis piiras paksenemisjõu kiirust. Need meetmed koos võimaldavad kiirendusfaasi süstimisfaasis femtosekundi täpsust.
Pildi peal 4а on näha, et kokkusurutud elektronkiire energia levik pärast optimeeritud kiirendust lineaarkiirendis väheneb kokkusurumata omaga võrreldes ~ 4 korda. Kiirenduse tõttu nihkub kokkusurutud kiire energiaspekter erinevalt kokkusurumata kiirest kõrgemate energiate suunas. Energiaspektri tipp pärast kiirendust on umbes 115 keV ja kõrge energiaga saba ulatub umbes 125 keV-ni.
Need arvud on teadlaste tagasihoidliku väite kohaselt uus kiirenduse rekord (enne kiirendust oli 70 keV) terahertsi vahemikus.
Kuid selleks, et vähendada energia hajumist (4а), tuleb saavutada veelgi lühem kiir.
Pilt nr 5
Kokkusurumata sisseviidud kiire puhul näitab kiire suuruse paraboolne sõltuvus voolust põikikiirgust horisontaal- ja vertikaalsuunas: εx,n = 1.703 mm*mrad ja εy,n = 1.491 mm*mrad (5а).
Kokkusurumine parandas omakorda ristkiirgust 6 korda εx,n = 0,285 mm*mrad (horisontaalne) ja εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikaalne).
Väärib märkimist, et emissiooni vähenemise aste on ligikaudu kaks korda suurem kui kiire kestuse vähenemise aste, mis on interaktsiooni dünaamika mittelineaarsuse mõõt ajas, kui elektronid kogevad kiirenduse ajal tugevat magnetvälja fokuseerimist ja defokuseerimist (5b и 5c).
Pildi peal 5b On näha, et optimaalsel ajal sisestatud elektronid kogevad kogu elektrivälja kiirenduse poolperioodi. Kuid elektronid, mis saabuvad enne või pärast optimaalset aega, kogevad vähem kiirendust ja isegi osalist aeglustumist. Sellised elektronid saavad jämedalt öeldes vähem energiat.
Sarnast olukorda täheldatakse ka magnetväljaga kokkupuutel. Optimaalsel ajal süstitud elektronid kogevad sümmeetrilises koguses positiivseid ja negatiivseid magnetvälju. Kui elektronide sissetoomine toimus enne optimaalset aega, siis positiivseid välju oli rohkem ja negatiivseid vähem. Kui elektronid sisestatakse optimaalsest ajast hiljem, on positiivseid vähem ja negatiivseid rohkem (5c). Ja sellised kõrvalekalded toovad kaasa asjaolu, et elektron võib kalduda vasakule, paremale, üles või alla, olenevalt oma asendist telje suhtes, mis toob kaasa ristsuunalise impulsi suurenemise, mis vastab kiire fokuseerimisele või defokuseerimisele.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata и talle.
Epiloog
Kokkuvõtteks võib öelda, et kiirendi jõudlus suureneb, kui elektronkiire kestust vähendada. Selles töös piiras saavutatavat kiire kestust paigalduse geomeetria. Kuid teoreetiliselt võib kiire kestus ulatuda alla 100 fs.
Teadlased märgivad ka, et tala kvaliteeti saab veelgi parandada, vähendades kihtide kõrgust ja suurendades nende arvu. Kuid see meetod ei ole probleemideta, eelkõige suurendab seadme valmistamise keerukust.
See töö on lineaarse kiirendi miniatuurse versiooni ulatuslikuma ja üksikasjalikuma uuringu esialgne etapp. Hoolimata asjaolust, et testitud versioon näitab juba suurepäraseid tulemusi, mida võib õigusega nimetada rekordiliseks, on veel palju tööd teha.
Täname tähelepanu eest, olge uudishimulikud ja ilusat nädalat kõigile! 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com