کوچک اما پررنگ: یک شتاب دهنده ذرات خطی مینیاتوری که رکورد جدیدی را ثبت کرد

اصل آشنای "بیشتر قدرتمندتر است" مدتهاست که در بسیاری از بخش های جامعه از جمله علم و فناوری تثبیت شده است. با این حال، در واقعیت های مدرن، اجرای عملی ضرب المثل "کوچک، اما قدرتمند" روز به روز رایج تر می شود. این امر هم در رایانه‌ها که قبلاً کل اتاق را اشغال می‌کردند، اما اکنون در کف دست کودک جای می‌گیرند و هم در شتاب‌دهنده‌های ذرات باردار آشکار می‌شود. بله، برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) را به خاطر دارید که ابعاد چشمگیر آن (طول 26 متر) به معنای واقعی کلمه در نام آن مشخص شده است؟ بنابراین، به گفته دانشمندان DESY، که یک نسخه مینیاتوری از شتاب دهنده را توسعه داده اند، که از نظر عملکرد نسبت به نسل قبلی خود در اندازه کامل پایین نیست، این قبلاً متعلق به گذشته است. علاوه بر این، شتاب‌دهنده کوچک حتی یک رکورد جهانی جدید در میان شتاب‌دهنده‌های تراهرتز به ثبت رساند و انرژی الکترون‌های تعبیه‌شده را دو برابر کرد. شتاب دهنده مینیاتوری چگونه ساخته شد، اصول اولیه عملکرد آن چیست و آزمایشات عملی نشان داده است؟ گزارش گروه پژوهشی به ما کمک می کند تا در این مورد پی ببریم. برو

مبنای تحقیق

به گفته دانگ فانگ ژانگ و همکارانش در DESY (Synchrotron الکترون آلمانی) که شتاب‌دهنده کوچک را توسعه دادند، منابع الکترونی فوق سریع نقش فوق‌العاده مهمی در زندگی جامعه مدرن دارند. بسیاری از آنها در پزشکی، توسعه الکترونیک و تحقیقات علمی ظاهر می شوند. بزرگترین مشکل شتاب دهنده های خطی فعلی که از نوسانگرهای فرکانس رادیویی استفاده می کنند، هزینه بالا، زیرساخت پیچیده و مصرف انرژی قابل توجه آنهاست. و چنین کاستی هایی در دسترس بودن چنین فناوری هایی را برای طیف وسیع تری از کاربران محدود می کند.

این مشکلات آشکار انگیزه بزرگی برای توسعه دستگاه هایی است که اندازه و مصرف انرژی آنها باعث وحشت نمی شود.

از جمله نوآوری های نسبی در این صنعت می توان به شتاب دهنده های تراهرتز اشاره کرد که دارای تعدادی "مزایا" هستند:

• انتظار می رود که امواج کوتاه و پالس های کوتاه تابش تراهرتز به طور قابل توجهی آستانه را افزایش دهند. درهم شکستن*، ناشی از میدان، که شیب شتاب را افزایش می دهد.

خرابی برق* - افزایش شدید قدرت جریان در هنگام اعمال ولتاژ بالاتر از حد بحرانی.

• وجود روش های موثر برای تولید تابش تراهرتز با میدان بالا، امکان هماهنگ سازی داخلی بین الکترون ها و میدان های تحریک را فراهم می کند.
• برای ساخت چنین دستگاه هایی می توان از روش های کلاسیک استفاده کرد، اما هزینه، زمان تولید و اندازه آنها بسیار کاهش می یابد.

دانشمندان بر این باورند که شتاب‌دهنده تراهرتز در مقیاس میلی‌متری آن‌ها مصالحه‌ای است بین شتاب‌دهنده‌های معمولی که در حال حاضر در دسترس هستند و شتاب‌دهنده‌های میکرو که در حال توسعه هستند، اما به دلیل ابعاد بسیار کوچک، معایب زیادی دارند.

محققان انکار نمی کنند که فناوری شتاب تراهرتز برای مدتی در حال توسعه بوده است. با این حال، به نظر آنها، هنوز جنبه های زیادی در این زمینه وجود دارد که مورد مطالعه، آزمایش و اجرا قرار نگرفته است.

دانشمندان در کار خود که امروز در حال بررسی آن هستیم، توانایی های STEAM را نشان می دهند (شتاب دهنده و دستکاری کننده الکترون تراهرتز قطعه بندی شده) - یک شتاب دهنده و دستکاری کننده الکترون تراهرتز قطعه بندی شده. STEAM این امکان را فراهم می کند که طول پرتو الکترونی را تا زیر پیکوثانیه کاهش دهد و در نتیجه کنترل فمتوثانیه ای را بر فاز شتاب فراهم می کند.

امکان دستیابی به میدان شتاب 200 MV/m (MV - مگاولت)، که منجر به شتاب رکورد تراهرتز بیش از 70 کو (کیلوالکترون ولت) از پرتو الکترونی تعبیه شده با انرژی 55 کو می شود. به این ترتیب الکترون های شتاب گرفته تا 125 کو به دست آمد.

ساختار و پیاده سازی دستگاه

تصویر شماره 1: نمودار دستگاه مورد مطالعه.

تصویر شماره 1-2: الف - نمودار ساختار تقسیم شده 5 لایه توسعه یافته، ب - نسبت شتاب محاسبه شده و جهت انتشار الکترون.

پرتوهای الکترونی (55 کیلو ولت) از آن تولید می شود تفنگ الکترونی* و به داخل STEAM-buncher تراهرتز (کمپرسور پرتو) وارد می شوند، پس از آن به STEAM-linac منتقل می شوند.شتاب دهنده خطی*).

تفنگ الکترونی* - وسیله ای برای تولید پرتوی از الکترون ها با پیکربندی و انرژی مورد نیاز.

شتاب دهنده خطی* - شتاب دهنده ای که در آن ذرات باردار فقط یک بار از ساختار عبور می کنند، که شتاب دهنده خطی را از شتاب دهنده حلقوی متمایز می کند (مثلا LHC).

هر دو دستگاه STEAM پالس‌های تراهرتز را از یک لیزر مادون قرمز نزدیک (NIR) دریافت می‌کنند که همچنین فوتوکاتد تفنگ الکترونی را شلیک می‌کند و در نتیجه همگام‌سازی داخلی بین الکترون‌ها و میدان‌های شتاب‌دهنده ایجاد می‌شود. پالس های فرابنفش برای انتشار نور در فوتوکاتد از طریق دو مرحله متوالی تولید می شوند GVG* طول موج اصلی نور مادون قرمز نزدیک این فرآیند یک پالس لیزری 1020 نانومتری را ابتدا به 510 نانومتر و سپس به 255 نانومتر تبدیل می‌کند.

GVG* (تولید هارمونیک دوم نوری) فرآیند ترکیب فوتون های هم فرکانس در هنگام برهم کنش با یک ماده غیرخطی است که منجر به تشکیل فوتون های جدید با انرژی و فرکانس دو برابر و همچنین نصف طول موج می شود.

باقی مانده پرتو لیزر NIR به 4 پرتو تقسیم می شود که برای تولید چهار پالس تراهرتز تک سیکلی با ایجاد اختلاف فرکانس درون پالس استفاده می شود.

سپس دو پالس تراهرتز از طریق ساختارهای شاخ متقارن که انرژی تراهرتز را در جهت انتشار الکترون به ناحیه برهمکنش هدایت می کند به هر دستگاه STEAM تحویل داده می شود.

هنگامی که الکترون ها وارد هر دستگاه STEAM می شوند، در معرض اجزای الکتریکی و مغناطیسی قرار می گیرند نیروهای لورنتس*.

نیروی لورنتس* - نیرویی که میدان الکترومغناطیسی بر ذره باردار وارد می کند.

در این حالت میدان الکتریکی مسئول شتاب و کاهش سرعت است و میدان مغناطیسی باعث انحرافات جانبی می شود.

تصویر شماره 2

همانطور که در تصاویر می بینیم 2a и 2bدر داخل هر دستگاه STEAM، پرتوهای تراهرتز توسط ورقه های فلزی نازک به صورت عرضی به چندین لایه با ضخامت های متفاوت تقسیم می شوند که هر یک به عنوان یک موجبر عمل می کند و بخشی از انرژی کل را به ناحیه برهمکنش منتقل می کند. همچنین صفحات دی الکتریک در هر لایه برای هماهنگ کردن زمان رسیدن تراهرتز وجود دارد جبهه موج* با جلوی الکترون ها

جبهه موج* - سطحی که موج به آن رسیده است.

هر دو دستگاه STEAM در حالت الکتریکی کار می کنند، یعنی به گونه ای که یک میدان الکتریکی را تحمیل کرده و یک میدان مغناطیسی را در مرکز منطقه تعامل سرکوب می کند.

در دستگاه اول، الکترون ها برای عبور زمان بندی می شوند عبور از صفر* میدان تراهرتز، که در آن گرادیان های زمانی میدان الکتریکی به حداکثر می رسد و میدان متوسط ​​به حداقل می رسد.

عبور از صفر* - نقطه ای که هیچ تنشی در آن وجود ندارد.

این پیکربندی باعث می شود دم پرتو الکترونی شتاب گرفته و سر آن کاهش یابد و در نتیجه تمرکز طولی بالستیک ایجاد شود.2a и 2).

در دستگاه دوم، همگام سازی تابش الکترون و تراهرتز به گونه ای تنظیم شده است که پرتو الکترونی تنها یک چرخه منفی میدان الکتریکی تراهرتز را تجربه کند. این پیکربندی منجر به یک شتاب خالص پیوسته (2b и 2d).

لیزر NIR یک سیستم Yb:YLF است که از نظر سرمایشی خنک می‌شود و پالس‌های نوری با مدت زمان ۱.۲ ثانیه و انرژی ۵۰ میلی‌ژول در طول موج ۱۰۲۰ نانومتر و نرخ تکرار ۱۰ هرتز تولید می‌کند. و پالس های تراهرتز با فرکانس مرکزی 1.2 تراهرتز (دوره 50 ps) با روش جلوی پالس شیبدار تولید می شوند.

برای تامین انرژی STEAM-buncher (کمپرسور پرتو) فقط 2 x 50 nJ انرژی تراهرتز استفاده شد و STEAM-linac (شتاب دهنده خطی) به 2 x 15 mJ نیاز داشت.

قطر سوراخ های ورودی و خروجی هر دو دستگاه STEAM 120 میکرون می باشد.

کمپرسور پرتو با سه لایه با ارتفاع مساوی (0 میلی متر) طراحی شده است که به صفحات سیلیس ذوب شده (εr = 225) به طول 4.41 و 0.42 میلی متر برای کنترل زمان بندی مجهز شده است. ارتفاع برابر لایه های کمپرسور نشان دهنده این واقعیت است که هیچ شتابی وجود ندارد (2).

اما در شتاب دهنده خطی ارتفاعات در حال حاضر متفاوت است - 0.225، 0.225 و 0.250 میلی متر (+ صفحات کوارتز ذوب شده 0.42 و 0.84 میلی متر). افزایش ارتفاع لایه، افزایش سرعت الکترون ها در طول شتاب را توضیح می دهد.

دانشمندان خاطرنشان می کنند که تعداد لایه ها مستقیماً مسئول عملکرد هر یک از دو دستگاه است. برای مثال، دستیابی به نرخ‌های بالاتر شتاب، به لایه‌های بیشتر و تنظیمات ارتفاع متفاوت برای بهینه‌سازی تعامل نیاز دارد.

نتایج آزمایشات عملی

ابتدا محققان یادآوری می‌کنند که در شتاب‌دهنده‌های فرکانس رادیویی سنتی، تأثیر گستره زمانی پرتو الکترونی تعبیه‌شده بر ویژگی‌های پرتو شتاب‌دار به دلیل تغییر در میدان الکتریکی است که در طول برهم‌کنش الکترون‌های مختلف درون پرتوی وارد شده، تجربه می‌شود. در زمان های مختلف بنابراین، می‌توان انتظار داشت که میدان‌های با گرادیان‌های بالاتر و پرتوهای با مدت زمان طولانی‌تر منجر به گسترش انرژی بیشتر شود. پرتوهای تزریقی طولانی مدت نیز می توانند به مقادیر بالاتری منجر شوند انتشارات*.

انتشار* - فضای فاز اشغال شده توسط پرتوی شتابدار از ذرات باردار.

در مورد یک شتاب دهنده تراهرتز، دوره میدان تحریک تقریباً 200 برابر کوتاهتر است. از این رو، تنش* فیلد پشتیبانی شده 10 برابر بیشتر خواهد بود.

قدرت میدان الکتریکی* - یک نشانگر میدان الکتریکی، برابر با نسبت نیروی اعمال شده به بار نقطه ای ثابتی که در یک نقطه معین از میدان قرار می گیرد به بزرگی این بار.

بنابراین، در یک شتاب‌دهنده تراهرتز، گرادیان میدانی که الکترون‌ها تجربه می‌کنند می‌تواند چندین مرتبه بزرگ‌تر از یک دستگاه معمولی باشد. مقیاس زمانی که در آن انحنای میدان قابل توجه است به طور قابل توجهی کوچکتر خواهد بود. از این نتیجه می شود که مدت پرتو الکترونی معرفی شده تأثیر برجسته تری خواهد داشت.

دانشمندان تصمیم گرفتند این نظریه ها را در عمل آزمایش کنند. برای انجام این کار، آنها پرتوهای الکترونی با مدت زمان های مختلف را معرفی کردند که با فشرده سازی با استفاده از اولین دستگاه STEAM (STEAM-buncher) کنترل می شد.

تصویر شماره 3

در مواردی که کمپرسور به منبع برق متصل نبود، پرتوهای الکترون (55 کیلو ولت) با بار 1 fC (فمتوکولومب) تقریباً 300 میلی متر از تفنگ الکترونی به دستگاه شتاب دهنده خطی (STEAM-linac) عبور کردند. این الکترون ها می توانند تحت تأثیر نیروهای بار فضایی تا مدت زمان بیش از 1000 fs (فمتوثانیه) منبسط شوند.

در این مدت، پرتو الکترونی حدود 60 درصد از نیمی از طول موج میدان شتاب‌دهنده را با فرکانس 1,7 ps اشغال کرد که در نتیجه یک طیف انرژی پس از شتاب با اوج در 115 کو و نیمی از عرض توزیع انرژی ایجاد شد. بیش از 60 کیلو ولت (3a).

برای مقایسه این نتایج با نتایج مورد انتظار، وضعیت انتشار الکترون از طریق یک شتاب‌دهنده خطی زمانی شبیه‌سازی شد که الکترون‌ها با زمان تزریق بهینه هماهنگ نبودند. محاسبات این وضعیت نشان داد که افزایش انرژی الکترون بسیار وابسته به لحظه تزریق است، تا مقیاس زمانی زیر پیکسل (3b). یعنی با تنظیم بهینه، الکترون یک نیم چرخه کامل از شتاب تابش تراهرتز را در هر لایه تجربه خواهد کرد.3).

اگر الکترون‌ها در زمان‌های متفاوتی برسند، در لایه اول شتاب کمتری را تجربه می‌کنند، که باعث می‌شود زمان بیشتری برای طی کردن آن‌ها در لایه اول طول بکشد. سپس همگام سازی در لایه های زیر افزایش می یابد و باعث کندی ناخواسته می شود (3d).

به منظور به حداقل رساندن اثر منفی گسترش زمانی پرتو الکترونی، اولین دستگاه STEAM در حالت فشرده‌سازی کار کرد. با تنظیم انرژی تراهرتز عرضه شده به کمپرسور و تغییر خط اتصال به حالت هچ، مدت پرتو الکترونی در خط مستقیم به حداقل 350 fs (نیم عرض) بهینه شد.4b).

تصویر شماره 4

حداقل مدت پرتو مطابق با مدت زمان پالس UV فوتوکاتد، که ~600 fs بود، تنظیم شد. فاصله بین کمپرسور و نوار نیز نقش مهمی داشت که سرعت نیروی ضخیم شدن را محدود می کرد. این اقدامات با هم، دقت فمتوثانیه‌ای را در مرحله تزریق فاز شتاب می‌دهد.

روی تصویر 4a می توان مشاهده کرد که انتشار انرژی پرتو الکترونی فشرده پس از شتاب بهینه شده در یک شتاب دهنده خطی در مقایسه با شتاب دهنده غیر فشرده 4 برابر کاهش می یابد. با توجه به شتاب، طیف انرژی پرتو فشرده بر خلاف پرتو فشرده نشده به سمت انرژی های بالاتر منتقل می شود. اوج طیف انرژی پس از شتاب در حدود 115 کو و دم پر انرژی به حدود 125 کیلو ولت می رسد.

این ارقام، طبق اظهارات متواضعانه دانشمندان، یک رکورد جدید شتاب (قبل از شتاب 70 کیلو ولت بود) در محدوده تراهرتز است.

اما به منظور کاهش پراکندگی انرژی (4a) باید به یک تیر حتی کوتاهتر رسید.

تصویر شماره 5

در مورد یک پرتو وارد شده فشرده نشده، وابستگی سهموی اندازه پرتو به جریان، تابش عرضی را در جهات افقی و عمودی نشان می‌دهد: εx,n = 1.703mm*mrad و εy,n = 1.491mm*mrad.5a).

فشرده سازی، به نوبه خود، انتشار عرضی را 6 برابر به εx,n = 0,285mm*mrad (افقی) و εy,n = 0,246mm*mrad (عمودی) بهبود داد.

شایان ذکر است که درجه کاهش گسیل تقریباً دو برابر درجه کاهش مدت پرتو است، که معیاری برای غیرخطی بودن دینامیک برهمکنش با زمانی است که الکترون‌ها تمرکز شدید و عدم تمرکز میدان مغناطیسی را در طول شتاب تجربه می‌کنند.5b и 5).

روی تصویر 5b مشاهده می شود که الکترون های وارد شده در زمان بهینه تمام نیم چرخه شتاب میدان الکتریکی را تجربه می کنند. اما الکترون‌هایی که قبل یا بعد از زمان بهینه می‌رسند، شتاب کمتر و حتی کاهش جزئی را تجربه می‌کنند. به طور کلی چنین الکترون هایی انرژی کمتری دارند.

وضعیت مشابهی هنگام قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی مشاهده می شود. الکترون هایی که در زمان بهینه تزریق می شوند، مقادیر متقارن میدان مغناطیسی مثبت و منفی را تجربه می کنند. اگر معرفی الکترون ها قبل از زمان بهینه اتفاق افتاده باشد، میدان های مثبت بیشتر و میدان های منفی کمتری وجود دارد. اگر الکترون ها دیرتر از زمان بهینه وارد شوند، مثبت کمتر و منفی بیشتر خواهد بود.5). و چنین انحرافی منجر به این واقعیت می شود که الکترون بسته به موقعیت خود نسبت به محور می تواند به چپ، راست، بالا یا پایین منحرف شود، که منجر به افزایش تکانه عرضی مربوط به تمرکز یا عدم تمرکز پرتو می شود.

برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید دانشمندان گزارش می دهند и مواد اضافی به او.

خاتمه

به طور خلاصه، اگر مدت پرتو الکترونی کاهش یابد، عملکرد شتاب دهنده افزایش می یابد. در این کار، مدت زمان پرتو قابل دستیابی با هندسه نصب محدود شد. اما، در تئوری، مدت پرتو می تواند به کمتر از 100 fs برسد.

دانشمندان همچنین خاطرنشان می کنند که کیفیت پرتو را می توان با کاهش ارتفاع لایه ها و افزایش تعداد آنها بیشتر بهبود بخشید. با این حال، این روش بدون مشکل نیست، به ویژه افزایش پیچیدگی ساخت دستگاه.

این کار مرحله اولیه یک مطالعه گسترده تر و دقیق تر از نسخه مینیاتوری یک شتاب دهنده خطی است. با وجود این واقعیت که نسخه آزمایش شده در حال حاضر نتایج عالی را نشان می دهد، که به درستی می توان آن را رکوردشکنی نامید، هنوز کار زیادی برای انجام وجود دارد.

از توجه شما متشکرم، کنجکاو بمانید و هفته خوبی برای همه داشته باشید! 🙂

از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید 30٪ تخفیف برای کاربران Habr در آنالوگ منحصر به فرد سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: تمام حقیقت در مورد VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps از 20 دلار یا چگونه سرور را به اشتراک بگذاریم؟ (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).

Dell R730xd 2 برابر ارزان تر است؟ فقط اینجا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV از 199 دلار در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید نحوه ساخت شرکت زیرساخت کلاس با استفاده از سرورهای Dell R730xd E5-2650 v4 به ارزش 9000 یورو برای یک پنی؟

منبع: www.habr.com