"Gehiago indartsuagoa da" printzipio ezaguna aspaldi ezarri da gizarteko sektore askotan, zientzian eta teknologian barne. Hala ere, errealitate modernoetan, “txikia, baina ahaltsua” esaeraren ezarpen praktikoa gero eta ohikoagoa da. Hori ageri da bai ordenagailuetan, lehen gela oso bat hartzen zuten, baina orain ume baten ahurrean sartzen zirenak, bai partikulen azeleragailu kargatuetan. Bai, gogoratu Hadron Talkatzaile Handia (LHC), zeinaren dimentsio ikusgarriak (26 m-ko luzera) bere izenean literalki adierazten diren? Beraz, hori iraganeko kontua da jada DESY-ko zientzialarien arabera, azeleragailuaren miniaturazko bertsio bat garatu baitute, bere aurrekoaren errendimenduan txikiagoa ez dena. Gainera, mini azeleragailuak munduko errekor berri bat ere ezarri zuen terahertz azeleragailuen artean, txertatutako elektroien energia bikoiztuz. Nola garatu zen miniaturazko azeleragailua, zein dira bere funtzionamenduaren oinarrizko printzipioak eta zer erakutsi dute esperimentu praktikoek? Ikerketa taldearen txostenak horren berri ematen lagunduko digu. Zoaz.
Ikerketaren oinarria
Dongfang Zhang-ek eta DESY-ko bere lankideek (Alemaniako Elektroni Sinkrotroia) dioenez, mini-azeleragailua garatu zuten, elektroi-iturri ultraazkarrek garrantzi izugarria dute gizarte modernoaren bizitzan. Horietako asko medikuntzan, elektronikaren garapenean eta ikerketa zientifikoan agertzen dira. Irrati-maiztasuneko osziladoreak erabiltzen dituzten egungo azeleragailu linealen arazo handiena kostu handia, azpiegitura konplexua eta energia-kontsumo ikusgarria da. Eta horrelako gabeziek asko mugatzen dute teknologia horien erabilgarritasuna erabiltzaile sorta zabalagoarentzat.
Arazo nabari hauek pizgarri bikainak dira haien tamainak eta energia-kontsumoak beldurra eragingo ez duten gailuak garatzeko.
Industria honetako nobedade erlatiboen artean terahertz azeleragailuak daude, hainbat "onura" dituztenak:
- Uste da uhin laburrek eta terahertz erradiazio-pultsu laburrak atalasea nabarmen handituko dutela matxura*, eremuak eragindakoa, azelerazio-gradienteak handituko dituena;
Matxura elektrikoa* - Korrontearen indarra nabarmen handitzea kritikotik gorako tentsioa aplikatzen denean.
- Eremu altuko terahertz erradiazioa sortzeko metodo eraginkorrak egoteak elektroien eta kitzikapen eremuen arteko barne sinkronizazioa ahalbidetzen du;
- Metodo klasikoak erabil daitezke horrelako gailuak sortzeko, baina haien kostua, ekoizpen denbora eta tamaina asko murriztuko dira.
Zientzialariek uste dute haien milimetro-eskalako terahertz azeleragailua gaur egun eskuragarri dauden ohiko azeleragailuen eta garatzen ari diren mikroazeleragailuen arteko konpromisoa dela, baina dimentsio oso txikiak direla eta desabantaila asko dituela.
Ikertzaileek ez dute ukatzen terahertz azelerazio teknologia aspalditik garatzen ari dela. Dena den, haien iritziz, arlo honetan oraindik ere aztertu, probatu edo ezarri ez diren alderdi asko daude.
Gaur aztertzen ari garen bere lanean, zientzialariek STEAM-en gaitasunak erakusten dituzte (terahertz segmentatu elektroien azeleragailua eta manipulatzailea) - terahertz segmentatutako elektroien azeleragailu eta manipulatzailea. STEAM-ek elektroi-izpiaren luzera azpi-pikosegundoko iraupenera murriztea ahalbidetzen du, eta, ondorioz, azelerazio-fasearen femtosegundoko kontrola eskaintzen du.
200 MV/m-ko (MV - megavolt) azelerazio-eremua lortu ahal izan zen, eta horrek 70 keV-ko energiarekin txertatutako elektroi-sortatik > 55 keV-ko (kiloelektronvolt) azelerazio errekorra dakar. Horrela, 125 keV arteko elektroi azeleratuak lortu ziren.
Gailuaren egitura eta ezarpena
1. irudia: aztergai dugun gailuaren eskema.
1-2 irudia: a - garatutako 5 geruzen egitura segmentatuaren diagrama, b - kalkulatutako azelerazio eta elektroien hedapenaren norabidearen erlazioa.
Elektroi izpiak (55 keV) sortzen dira kanoi elektronikoa* eta terahertz STEAM-buncher-ean sartzen dira (habe-konpresorea), ondoren STEAM-linac-era pasatzen dira (azeleragailu lineala*).
Pistola elektronikoa* — Beharrezko konfigurazio eta energiako elektroi sorta bat sortzeko gailua.
Azeleragailu lineala* - Partikula kargatuak egituratik behin bakarrik igarotzen diren azeleragailu bat, azeleragailu lineal bat eta zikliko batetik bereizten dituena (adibidez, LHCa).
Bi STEAM gailuek infragorri hurbileko (NIR) laser bakarreko terahertz pultsuak jasotzen dituzte, eta horrek elektroi-pistolaren fotokatodoa ere jaurtitzen du, elektroien eta eremu azeleratuen arteko barne sinkronizazioaren ondorioz. Fotokatodoan fotoigorpenerako pultsu ultramoreak ondoz ondoko bi etapatan sortzen dira GVG* Infragorri hurbilaren argiaren oinarrizko uhin-luzera. Prozesu honek 1020 nm-ko laser-pultsu bat lehenik 510 nm-ra eta gero 255 nm-ra bihurtzen du.
GVG* (bigarren harmonikoen sorkuntza optikoa) material ez-lineal batekin elkarrekintzan zehar maiztasun bereko fotoiak konbinatzeko prozesua da, eta energia eta maiztasun bikoitza duten fotoi berriak sortzea dakar, baita uhin-luzera erdia ere.
NIR laser izpiaren gainerakoa 4 izpitan banatzen da, pultsu barneko maiztasun-diferentziak sortuz ziklo bakarreko lau terahertz pultsu sortzeko erabiltzen direnak.
Ondoren, bi terahertz pultsuak STEAM gailu bakoitzari ematen zaizkio terahertz energia elektroien hedapenaren norabidean zehar interakzio-eskualdera zuzentzen duten adar-egitura simetrikoen bidez.
Elektroiak STEAM gailu bakoitzean sartzen direnean, osagai elektriko eta magnetikoen eraginpean daude Lorentz indarrak*.
Lorentz indarra* - Eremu elektromagnetikoak partikula kargatu bati eragiten dion indarra.
Kasu honetan, eremu elektrikoa azelerazioaz eta dezelerazioaz arduratzen da, eta eremu magnetikoak alboko desbideratzeak eragiten ditu.
Irudia #2
Irudietan ikusten dugunez 2a и 2b, STEAM gailu bakoitzaren barruan, terahertz izpiak zeharka zatitzen dira metalezko xafla meheek lodiera ezberdineko hainbat geruzatan, eta horietako bakoitzak uhin-gida gisa jokatzen du, energia osoaren zati bat interakzio-eskualdera transferituz. Geruza bakoitzean plaka dielektrikoak ere badaude terahertz-en iriste-denbora koordinatzeko olatu-frontea* elektroien aurrealdearekin.
Olatua* - uhina zein gainazalera iritsi den.
Bi STEAM gailuek modu elektrikoan funtzionatzen dute, hau da, elkarrekintza eremuaren erdian eremu elektriko bat ezarri eta eremu magnetikoa ezabatzeko moduan.
Lehenengo gailuan, elektroiak igarotzeko tenporatuta daude zero zeharkaldia* terahertz eremua, non eremu elektrikoaren denbora-gradienteak maximizatzen diren eta batez besteko eremua minimizatzen den.
Zero zeharkaldia* - tentsiorik ez dagoen puntu bat.
Konfigurazio honek elektroi-izpiaren isatsa bizkortu eta bere burua moteldu egiten du, luzerako foku balistikoa eraginez (2a и 2c).
Bigarren gailuan, elektroiaren eta terahertz-erradiazioaren sinkronizazioa ezartzen da, elektroi-izpiak terahertz-eremu elektrikoaren ziklo negatiboa soilik bizi dezan. Konfigurazio honek etengabeko azelerazio garbia eragiten du (2b и 2d).
NIR laserra kriogenikoki hoztutako Yb:YLF sistema bat da, 1.2 ps-ko iraupena eta 50 mJ-ko energia 1020 nm-ko uhin-luzeran eta 10 Hz-eko errepikapen-abiaduran sortzen dituen pultsu optikoak. Eta 0.29 terahertz-eko maiztasun zentrala duten terahertz pultsuak (3.44 ps-eko periodoa) pultsu inklinatuaren aurrean metodoaren bidez sortzen dira.
STEAM-buncher (habe konpresorea) elikatzeko 2 x 50 nJ terahertz energia baino ez zen erabili, eta STEAM-linac (azeleragailu lineala) 2 x 15 mJ behar zen.
Bi STEAM gailuen sarrera eta irteera zuloen diametroa 120 mikrakoa da.
Beam-konpresorea altuera berdineko (0 mm) hiru geruzarekin diseinatuta dago, eta silize fundituko plakekin (ϵr = 225) 4.41 eta 0.42 mm-ko luzera duten silize-plakekin hornituta dago denbora kontrolatzeko. Konpresoreen geruzen altuera berdinek azeleraziorik ez dagoela islatzen dute (2c).
Baina azeleragailu linealean altuerak dagoeneko desberdinak dira - 0.225, 0.225 eta 0.250 mm (+ fusionatutako kuartzozko plakak 0.42 eta 0.84 mm). Geruzaren altuera handitzeak azelerazioan elektroien abiaduraren igoera azaltzen du.
Zientzialariek adierazi dute geruza kopurua dela bi gailu bakoitzaren funtzionaltasunaren erantzule zuzena. Azelerazio-tasa handiagoak lortzeko, adibidez, geruza gehiago eta altuera konfigurazio desberdinak beharko lirateke elkarrekintza optimizatzeko.
Esperimentu praktikoen emaitzak
Lehenik eta behin, ikertzaileek gogorarazten dute irrati-maiztasun azeleragailu tradizionaletan, txertatutako elektroi-izpiaren hedadura tenporalaren eragina izpi azeleratuaren propietateetan sortzen dela. garai ezberdinetan. Horrela, espero daiteke gradiente handiagoak dituzten eremuek eta iraupen luzeagoko habeek energia hedapen handiagoa ekarriko dutela. Iraupen luzeko habe injektatuek ere balio handiagoak ekar ditzakete emisioak*.
Emisioa* — Partikula kargatuen izpi azeleratu batek hartzen duen fase-espazioa.
Terahertz azeleragailu baten kasuan, kitzikapen-eremuaren periodoa gutxi gorabehera 200 aldiz laburragoa da. Horregatik, tentsioa* onartzen den eremua 10 aldiz handiagoa izango da.
Eremu elektrikoaren indarra* - Eremu elektrikoaren adierazlea, eremuko puntu jakin batean jarritako karga puntual geldi bati aplikatzen zaion indarra eta karga horren magnitudearen arteko erlazioaren berdina.
Horrela, terahertz azeleragailu batean, elektroiek jasaten dituzten eremu-gradienteak ohiko gailu batean baino magnitude-ordena handiagoak izan daitezke. Eremuaren kurbadura nabaritzen den denbora eskala nabarmen txikiagoa izango da. Hortik ondorioztatzen da sartutako elektroi-izpiaren iraupenak eragin nabarmenagoa izango duela.
Zientzialariek teoria horiek praktikan probatzea erabaki zuten. Horretarako, iraupen ezberdineko elektroi izpiak sartu zituzten, konpresio bidez kontrolatzen ziren lehen STEAM gailuaren bidez (STEAM-buncher).
Irudia #3
Konpresorea elikadura-iturri batera konektatuta ez zegoen kasuan, ~55 fC (femtocoulomb) karga duten elektroi sortak (1 keV) 300 mm inguru igaro ziren elektroi-kanoitik azeleragailu linealaren gailura (STEAM-linac). Elektroi hauek espazioko karga indarren eraginez heda litezke 1000 fs (femtosegundo) baino gehiagoko iraupenera arte.
Iraupen horretan, elektroi-izpiak eremu azeleratzailearen uhin-luzera erdiaren % 60 inguru hartzen zuen 1,7 ps-ko maiztasunarekin, eta ondorioz, azelerazio osteko energia-espektroa 115 keV-ko gailurra eta energia-banaketaren erdi zabalera zuen. 60 keV baino handiagoa (3a).
Emaitza hauek espero zirenekin alderatzeko, azeleragailu lineal baten bidez elektroien hedapenaren egoera simulatu zen elektroiak injekzio denbora optimoarekin sinkronizatuta zeudenean (hau da, sinkronizatu gabe). Egoera honen kalkuluek erakutsi zuten elektroien energiaren igoera injekzio momentuaren oso menpekoa dela, azpipikosegundoko denbora eskalaraino (3b). Hau da, ezarpen optimoarekin, elektroiak terahertz erradiazio-azelerazioko ziklo erdi osoa izango du geruza bakoitzean (3c).
Elektroiak une desberdinetan iristen badira, lehen geruzan azelerazio gutxiago jasaten dute, eta horrek denbora gehiago behar izaten du bertatik igarotzeko. Ondoren, desinkronizazioa handitzen da hurrengo geruzetan, nahi gabeko moteltzea eraginez (3d).
Elektroi izpiaren denbora-luzapenaren eragin negatiboa minimizatzeko, lehen STEAM gailuak konpresio moduan funtzionatzen zuen. Linac-en elektroi-izpiaren iraupena ~ 350 fs-ko (zabalera erdia) gutxienez optimizatu zen konpresoreari emandako terahertz-energia sintonizatuz eta linaka hatch modura aldatuz (4b).
Irudia #4
Gutxieneko izpiaren iraupena fotokatodoaren UV pultsuaren iraupenaren arabera ezarri zen, hau da, ~ 600 fs izan zen. Konpresorearen eta bandaren arteko distantziak ere zeresan handia izan zuen, eta horrek loditzeko indarraren abiadura mugatzen zuen. Neurri hauek batera, femtosegundoko zehaztasuna ahalbidetzen dute azelerazio faseko injekzio fasean.
Irudian 4a ikus daiteke azeleragailu lineal batean azelerazio optimizatuaren ondoren elektroi-izpi konprimituaren energia hedapena ~ 4 aldiz gutxitzen dela konprimitu gabekoarekin alderatuta. Azelerazioa dela eta, konprimitutako izpiaren energia-espektroa energia handiagoetara desplazatzen da, konprimitu gabeko izpiaren aldean. Azelerazio ondoren energia-espektroaren gailurra 115 keV ingurukoa da, eta energia handiko isatsa 125 keV ingurukoa da.
Zifra hauek, zientzialarien adierazpen xumearen arabera, azelerazio-erregistro berri bat dira (azelerazioa baino lehen 70 keV-koa zen) terahertz tartean.
Baina energia-sakabanaketa murrizteko (4a), are habe laburragoa lortu behar da.
Irudia #5
Sartu gabeko habe baten kasuan, habearen tamainak korrontearekiko duen menpekotasun parabolikoak norabide horizontalean eta bertikalean zeharkako emitintzia erakusten du: εx,n = 1.703 mm*mrad eta εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Konpresioak, berriz, zeharkako emitentzia 6 aldiz hobetu zuen εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontala) eta εy,n = 0,246 mm*mrad (bertikala).
Azpimarratzekoa da igorpen-murrizketa-maila habearen iraupen-maila baino bikoitza dela gutxi gorabehera, hau da, azelerazioan elektroiek eremu magnetikoaren fokatze eta desfokatze sendoa jasaten duten elkarrekintza-dinamikaren ez-linealitatearen neurria den denborarekin.5b и 5c).
Irudian 5b Ikus daiteke une optimoan sartutako elektroiek eremu elektrikoaren azelerazioaren erdi-ziklo osoa jasaten dutela. Baina denbora optimoa baino lehen edo ondoren iristen diren elektroiek azelerazio gutxiago izaten dute eta baita dezelerazio partziala ere. Horrelako elektroiek energia gutxiagorekin amaitzen dute, gutxi gorabehera.
Antzeko egoera ikusten da eremu magnetiko baten eraginpean dagoenean. Une egokian injektatutako elektroiek eremu magnetiko positibo eta negatiboen kantitate simetrikoak jasaten dituzte. Elektroien sarrera denbora optimoa baino lehen gertatu bazen, orduan eremu positibo gehiago eta negatibo gutxiago zeuden. Elektroiak denbora optimoa baino beranduago sartzen badira, positibo gutxiago eta negatibo gehiago egongo dira (5c). Eta halako desbideratzeek elektroia ezkerrera, eskuinera, gora edo beherara desbideratu daitekeela dakar, ardatzarekiko duen posizioaren arabera, eta horrek izpiaren fokuratzeari edo desfokatzeari dagokion zeharkako momentua handitzea dakar.
Ikerketaren ñabardurak zehatzago ezagutzeko, begiratzea gomendatzen dut и berari.
Epilogoa
Laburbilduz, azeleragailuaren errendimendua handitu egingo da elektroi-izpiaren iraupena murrizten bada. Lan honetan, lor daitekeen habearen iraupena instalazioaren geometriak mugatu zuen. Baina, teorian, izpiaren iraupena 100 fs baino txikiagoa izan daiteke.
Zientzialariek ere nabarmentzen dute habearen kalitatea gehiago hobetu daitekeela geruzen altuera murriztuz eta haien kopurua handituz. Hala ere, metodo honek ez du arazorik izaten, bereziki gailua fabrikatzeko konplexutasuna areagotuz.
Lan hau azeleragailu lineal baten miniaturazko bertsio baten azterketa zabalago eta zehatzago baten hasierako etapa da. Probatutako bertsioa dagoeneko emaitza bikainak erakusten ari den arren, errekorra hautsi dei daitekeena, oraindik lan asko dago egiteko.
Eskerrik asko zure arretagatik, jakin-min egon zaitez eta aste ona izan denoi! 🙂
Eskerrik asko gurekin geratzeagatik. Gustuko dituzu gure artikuluak? Eduki interesgarri gehiago ikusi nahi? Lagun iezaguzu eskaera bat eginez edo lagunei gomendatuz, % 30eko deskontua Habr erabiltzaileentzat sarrera-mailako zerbitzarien analogo berezi batean, guk zuk asmatu duguna: (RAID1 eta RAID10-ekin erabilgarri, 24 nukleoraino eta 40 GB DDR4 arte).
Dell R730xd 2 aldiz merkeagoa? Hemen bakarrik Herbehereetan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 $-tik aurrera! Irakurri buruz
Iturria: www.habr.com