Tuttu periaate "enemmän on tehokkaampi" on vakiintunut jo pitkään monilla yhteiskunnan sektoreilla, mukaan lukien tiede ja teknologia. Nykytodellisuudessa sanonnan "pieni, mutta mahtava" käytännön toteutus on kuitenkin yleistymässä. Tämä ilmenee sekä tietokoneissa, jotka aiemmin veivät kokonaisen huoneen, mutta nyt mahtuivat lapsen kämmenelle, että varautuneissa hiukkaskiihdyttimissä. Kyllä, muistatko Large Hadron Colliderin (LHC), jonka vaikuttavat mitat (pituus 26 659 m) on kirjaimellisesti ilmoitettu sen nimessä? Joten tämä on jo menneisyyttä DESYn tutkijoiden mukaan, jotka ovat kehittäneet kiihdytin pienoisversion, joka ei ole suorituskyvyltään huonompi kuin täysikokoinen edeltäjänsä. Lisäksi minikiihdytin asetti jopa uuden maailmanennätyksen terahertsikiihdyttimien joukossa, mikä kaksinkertaisti sisäänrakennettujen elektronien energian. Miten minikiihdytin kehitettiin, mitkä ovat sen toiminnan perusperiaatteet ja mitä käytännön kokeet ovat osoittaneet? Tutkimusryhmän raportti auttaa meitä selvittämään asiaa. Mennä.
Tutkimuspohja
Minikiihdytintä kehittäneiden Dongfang Zhangin ja hänen kollegoidensa DESYssä (German Electron Synchrotron) mukaan ultranopeilla elektronilähteillä on uskomattoman tärkeä rooli modernin yhteiskunnan elämässä. Monet niistä esiintyvät lääketieteessä, elektroniikan kehityksessä ja tieteellisessä tutkimuksessa. Suurin ongelma nykyisissä radiotaajuusoskillaattoria käyttävissä lineaarisissa kiihdyttimissä on niiden korkea hinta, monimutkainen infrastruktuuri ja vaikuttava virrankulutus. Ja tällaiset puutteet rajoittavat suuresti tällaisten teknologioiden saatavuutta laajemmalle käyttäjäjoukolle.
Nämä ilmeiset ongelmat ovat suuri kannustin kehittää laitteita, joiden koko ja virrankulutus eivät aiheuta kauhua.
Tämän alan suhteellisten uutuuksien joukossa ovat terahertsikiihdyttimet, joilla on useita "etuja":
- On odotettavissa, että lyhyet aallot ja lyhyet terahertsisäteilyn pulssit nostavat kynnystä merkittävästi hajota*kentän aiheuttama, mikä lisää kiihtyvyysgradientteja;
Sähkövika* - virran voimakkuuden jyrkkä kasvu, kun käytetään kriittistä korkeampaa jännitettä.
- tehokkaiden menetelmien olemassaolo korkeakentän terahertsisäteilyn tuottamiseksi mahdollistaa sisäisen synkronoinnin elektronien ja virityskenttien välillä;
- Tällaisia laitteita voidaan luoda klassisilla menetelmillä, mutta niiden kustannukset, valmistusaika ja koko pienenevät huomattavasti.
Tiedemiehet uskovat, että heidän millimetrin mittakaavan terahertsikiihdytin on kompromissi tällä hetkellä saatavilla olevien tavanomaisten kiihdyttimien ja kehitteillä olevien mikrokiihdyttimien välillä, mutta niillä on monia haittoja niiden erittäin pienten mittojen vuoksi.
Tutkijat eivät kiellä, että terahertsikiihtyvyystekniikkaa on kehitetty jo jonkin aikaa. Heidän mielestään tällä alueella on kuitenkin vielä monia näkökohtia, joita ei ole tutkittu, testattu tai toteutettu.
Työssään, jota tarkastelemme tänään, tutkijat osoittavat STEAMin kyvyt (segmentoitu terahertsielektronikiihdytin ja manipulaattori) - segmentoitu terahertsielektronikiihdytin ja manipulaattori. STEAM mahdollistaa elektronisäteen pituuden lyhentämisen alipikosekuntiin, mikä mahdollistaa kiihtyvyysvaiheen femtosekunnin hallinnan.
Oli mahdollista saavuttaa 200 MV/m (MV - megavolt) kiihtyvyyskenttä, joka johtaa ennätykselliseen terahertsikiihtyvyyteen > 70 keV (kiloelektronivoltti) upotetun elektronisäteen energialla 55 keV. Tällä tavalla saatiin kiihdytettyjä elektroneja 125 keV:iin asti.
Laitteen rakenne ja toteutus
Kuva nro 1: kaavio tutkittavasta laitteesta.
Kuva nro 1-2: a - kaavio kehitetystä 5-kerroksisesta segmentoidusta rakenteesta, b - lasketun kiihtyvyyden ja elektronien etenemissuunnan suhde.
Elektronisuihkut (55 keV) tuotetaan elektronitykki* ja ne viedään terahertsi STEAM-buncheriin (sädekompressoriin), minkä jälkeen ne siirtyvät STEAM-linaciin (lineaarinen kiihdytin*).
Elektronitykki* — laite vaaditun konfiguraation ja energian omaavan elektronisuihkun tuottamiseksi.
Lineaarinen kiihdytin* - kiihdytin, jossa varautuneet hiukkaset kulkevat rakenteen läpi vain kerran, mikä erottaa lineaarisen kiihdytin syklisestä (esimerkiksi LHC).
Molemmat STEAM-laitteet vastaanottavat terahertsipulsseja yhdestä lähi-infrapunalaserista (NIR), joka laukaisee myös elektronipistoolin fotokatodin, mikä johtaa sisäiseen synkronointiin elektronien ja kiihtyvien kenttien välillä. Ultraviolettipulssit fotoemissiota varten fotokatodilla generoidaan kahdessa peräkkäisessä vaiheessa GVG* Lähi-infrapunavalon perusaallonpituus. Tämä prosessi muuntaa 1020 nm:n laserpulssin ensin 510 nm:ksi ja sitten 255 nm:ksi.
GVG* (optinen toinen harmoninen sukupolvi) on prosessi, jossa samalla taajuudella olevia fotoneja yhdistetään vuorovaikutuksessa epälineaarisen materiaalin kanssa, mikä johtaa uusien fotonien muodostumiseen, joilla on kaksinkertainen energia ja taajuus sekä puolet aallonpituudesta.
Loput NIR-lasersäteestä on jaettu 4 säteeseen, joita käytetään tuottamaan neljä yksijaksoista terahertsipulssia generoimalla pulssin sisäisiä taajuuseroja.
Kaksi terahertsipulssia toimitetaan sitten kuhunkin STEAM-laitteeseen symmetristen sarvirakenteiden kautta, jotka ohjaavat terahertsienergian vuorovaikutusalueelle elektronien etenemissuunnan poikki.
Kun elektronit tulevat jokaiseen STEAM-laitteeseen, ne altistuvat sähköisille ja magneettisille komponenteille Lorentzin joukot*.
Lorentzin voima* - voima, jolla sähkömagneettinen kenttä vaikuttaa varautuneeseen hiukkaseen.
Tässä tapauksessa sähkökenttä on vastuussa kiihtyvyydestä ja hidastumisesta, ja magneettikenttä aiheuttaa sivuttaispoikkeutuksia.
Kuva #2
Kuten kuvista näemme 2a и 2b, Jokaisen STEAM-laitteen sisällä terahertsisäteet on jaettu poikittain ohuilla metallilevyillä useisiin eripaksuisiin kerroksiin, joista jokainen toimii aaltoputkena siirtäen osan kokonaisenergiasta vuorovaikutusalueelle. Jokaisessa kerroksessa on myös dielektrisiä levyjä, jotka koordinoivat terahertsin saapumisaikaa aaltorintama* elektronien etuosan kanssa.
Aaltorintama* - pinta, jolle aalto on saavuttanut.
Molemmat STEAM-laitteet toimivat sähkötilassa eli siten, että ne aiheuttavat sähkökentän ja vaimentavat magneettikentän vuorovaikutusalueen keskellä.
Ensimmäisessä laitteessa elektronit ajoitetaan kulkemaan läpi nolla risteys* terahertsikenttä, jossa sähkökentän aikagradientit maksimoidaan ja keskimääräinen kenttä minimoidaan.
Nollaristeys* - piste, jossa ei ole jännitystä.
Tämä konfiguraatio saa elektronisäteen hännän kiihtymään ja sen pään hidastumaan, mikä johtaa ballistiseen pitkittäiseen fokusointiin (2a и 2s).
Toisessa laitteessa elektronin ja terahertsisäteilyn synkronointi on asetettu siten, että elektronisuihku kokee vain negatiivisen terahertsin sähkökentän syklin. Tämä kokoonpano johtaa jatkuvaan nettokiihtyvyyteen (2b и 2d).
NIR-laser on kryogeenisesti jäähdytetty Yb:YLF-järjestelmä, joka tuottaa optisia pulsseja, joiden kesto on 1.2 ps ja energiaa 50 mJ aallonpituudella 1020 nm ja toistotaajuudella 10 Hz. Ja terahertsipulsseja, joiden keskustaajuus on 0.29 terahertsiä (jakso 3.44 ps), tuotetaan kaltevalla pulssirintamalla.
STEAM-buncherin (sädekompressorin) virransyöttöön käytettiin vain 2 x 50 nJ terahertsienergiaa ja STEAM-linac (lineaarinen kiihdytin) tarvitsi 2 x 15 mJ.
Molempien STEAM-laitteiden tulo- ja ulostuloreikien halkaisija on 120 mikronia.
Sädekompressori on suunniteltu kolmella samankorkuisella (0 mm) kerroksella, jotka on varustettu sulatetuilla piidioksidilevyillä (ϵr = 225), joiden pituus on 4.41 ja 0.42 mm ajoituksen ohjaamiseksi. Kompressorikerrosten yhtä suuret korkeudet heijastavat sitä tosiasiaa, että kiihtyvyyttä ei ole (2s).
Mutta lineaarisessa kiihdyttimessä korkeudet ovat jo erilaisia - 0.225, 0.225 ja 0.250 mm (+ sulatetut kvartsilevyt 0.42 ja 0.84 mm). Kerroksen korkeuden kasvu selittää elektronien nopeuden kasvun kiihdytyksen aikana.
Tutkijat huomauttavat, että kerrosten lukumäärä on suoraan vastuussa kummankin laitteen toimivuudesta. Esimerkiksi suuremman kiihtyvyyden saavuttaminen vaatisi enemmän kerroksia ja eri korkeuskonfiguraatioita vuorovaikutuksen optimoimiseksi.
Käytännön kokeiden tulokset
Ensinnäkin tutkijat muistuttavat, että perinteisissä radiotaajuuskiihdyttimissä upotetun elektronisäteen ajallisen laajuuden vaikutus kiihdytetyn säteen ominaisuuksiin johtuu sähkökentän muutoksesta, joka koetaan eri elektronien vuorovaikutuksessa saapuvan säteen sisällä. eri aikoina. Siten voidaan olettaa, että kentät, joilla on korkeammat gradientit ja pitempikestoiset säteet, johtavat suurempaan energian leviämiseen. Pitkäkestoiset ruiskutetut säteet voivat myös johtaa korkeampiin arvoihin päästöt*.
Emittanssi* — varautuneiden hiukkasten kiihdytetyn säteen varaama vaihetila.
Terahertsikiihdyttimen tapauksessa virityskentän jakso on noin 200 kertaa lyhyempi. Siten, jännitys* tuettu kenttä on 10 kertaa suurempi.
Sähkökentän voimakkuus* - sähkökentän osoitin, joka on sama kuin kentän tiettyyn pisteeseen sijoitettuun paikallaan olevaan pistevaraukseen kohdistetun voiman suhde tämän varauksen suuruuteen.
Siten terahertsikiihdyttimessä elektronien kokemat kenttägradientit voivat olla useita suuruusluokkia suurempia kuin tavanomaisessa laitteessa. Ajan mittakaava, jolla kentän kaarevuus on havaittavissa, on huomattavasti pienempi. Tästä seuraa, että tuodun elektronisuihkun kestolla on selvempi vaikutus.
Tiedemiehet päättivät testata näitä teorioita käytännössä. Tätä varten he ottivat käyttöön eripituisia elektronisuihkuja, joita ohjattiin kompressiolla ensimmäisellä STEAM-laitteella (STEAM-buncher).
Kuva #3
Siinä tapauksessa, että kompressoria ei ollut kytketty virtalähteeseen, elektronisäteet (55 keV), joiden varaus oli ~1 fC (femtokulomb), kulkivat noin 300 mm elektronipistoolista lineaarikiihdytinlaitteeseen (STEAM-linac). Nämä elektronit voivat laajentua avaruusvarausvoimien vaikutuksesta yli 1000 fs:n (femtosekunttiin) kestoon asti.
Tänä aikana elektronisuihku käytti noin 60 % kiihdytyskentän puoliaallonpituudesta 1,7 ps:n taajuudella, mikä johti kiihdytyksen jälkeiseen energiaspektriin, jonka huippu on 115 keV ja puolileveys energian jakautumisesta yli 60 keV (3a).
Näiden tulosten vertaamiseksi odotettuihin, elektronien etenemistilannetta lineaarikiihdyttimen läpi simuloitiin, kun elektronit eivät olleet tahdissa (ts. epäsynkronissa) optimaalisen injektioajan kanssa. Tämän tilanteen laskelmat osoittivat, että elektronin energian kasvu on hyvin riippuvainen ruiskutushetkestä, aina subpikosekunnin aika-asteikolla (3b). Eli optimaalisella asetuksella elektroni kokee täyden puolijakson terahertsin säteilykiihtyvyyttä jokaisessa kerroksessa (3s).
Jos elektronit saapuvat eri aikoina, ne kokevat vähemmän kiihtyvyyttä ensimmäisessä kerroksessa, minkä vuoksi niiden kulkeminen sen läpi kestää kauemmin. Synkronointi lisääntyy sitten seuraavissa kerroksissa, mikä aiheuttaa ei-toivottua hidasta (3d).
Elektronisuihkun ajallisen laajenemisen negatiivisen vaikutuksen minimoimiseksi ensimmäinen STEAM-laite toimi kompressiotilassa. Elektronisuihkun kesto linacissa optimoitiin minimiin ~ 350 fs (puolileveä) säätämällä kompressoriin syötettyä terahertsienergiaa ja kytkemällä linac hatch-tilaan (4b).
Kuva #4
Säteen vähimmäiskesto asetettiin valokatodin UV-pulssin keston mukaisesti, joka oli ~600 fs. Myös kompressorin ja nauhan välisellä etäisyydellä oli tärkeä rooli, mikä rajoitti sakeutusvoiman nopeutta. Yhdessä nämä toimenpiteet mahdollistavat femtosekunnin tarkkuuden kiihdytysvaiheen ruiskutusvaiheessa.
Kuvan päällä 4a voidaan nähdä, että kokoonpuristetun elektronisäteen energian hajoaminen optimoidun kiihdytyksen jälkeen lineaarikiihdyttimessä pienenee ~ 4 kertaa kompressoimattomaan verrattuna. Kiihtyvyyden vuoksi kokoonpuristetun säteen energiaspektri siirtyy suurempia energioita kohti, toisin kuin kompressoimattoman säteen. Energiaspektrin huippu kiihdytyksen jälkeen on noin 115 keV ja korkeaenerginen häntä noin 125 keV.
Nämä luvut ovat tutkijoiden vaatimattoman lausunnon mukaan uusi kiihtyvyysennätys (ennen kiihtyvyyttä se oli 70 keV) terahertsien alueella.
Mutta energian hajoamisen vähentämiseksi (4a), on saavutettava vielä lyhyempi säde.
Kuva #5
Kompressoimattoman tuodun säteen tapauksessa säteen koon parabolinen riippuvuus virrasta paljastaa poikittaisemitanssin vaaka- ja pystysuunnassa: εx,n = 1.703 mm*mrad ja εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Puristus puolestaan paransi poikittaisemitanssia 6 kertaa arvoon εx,n = 0,285 mm*mrad (vaakasuora) ja εy,n = 0,246 mm*mrad (pystysuora).
On syytä huomata, että emittanssin pienenemisen aste on noin kaksi kertaa suurempi kuin säteen keston pienenemisen aste, joka on mitta vuorovaikutusdynamiikan epälineaarisuudesta ajan suhteen, kun elektronit kokevat voimakkaan fokusoitumisen ja magneettikentän defokusoitumisen kiihdytyksen aikana (5b и 5s).
Kuvan päällä 5b Voidaan nähdä, että optimaalisesti tuodut elektronit kokevat sähkökentän kiihtyvyyden koko puolijakson. Mutta ennen optimaalista aikaa tai sen jälkeen saapuvat elektronit kokevat vähemmän kiihtyvyyttä ja jopa osittaista hidastuvuutta. Tällaisilla elektroneilla on karkeasti sanottuna vähemmän energiaa.
Samanlainen tilanne havaitaan altistuessaan magneettikentälle. Optimaaliseen aikaan ruiskutetut elektronit kokevat symmetrisen määrän positiivisia ja negatiivisia magneettikenttiä. Jos elektronien sisääntulo tapahtui ennen optimaalista aikaa, positiivisia kenttiä oli enemmän ja negatiivisia vähemmän. Jos elektronit tuodaan optimaalista aikaa myöhemmin, on vähemmän positiivisia ja enemmän negatiivisia (5s). Ja tällaiset poikkeamat johtavat siihen, että elektroni voi poiketa vasemmalle, oikealle, ylös tai alas, riippuen sen sijainnista suhteessa akseliin, mikä johtaa poikittaisen liikemäärän kasvuun, joka vastaa säteen tarkennusta tai defokusointia.
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan и hänelle.
Epilogi
Yhteenvetona voidaan todeta, että kiihdyttimen suorituskyky kasvaa, jos elektronisuihkun kestoa lyhennetään. Tässä työssä saavutettavaa säteen kestoa rajoitti asennuksen geometria. Mutta teoriassa säteen kesto voi olla alle 100 fs.
Tutkijat huomauttavat myös, että palkin laatua voidaan edelleen parantaa vähentämällä kerrosten korkeutta ja lisäämällä niiden määrää. Tämä menetelmä ei kuitenkaan ole ongelmaton, mikä lisää erityisesti laitteen valmistuksen monimutkaisuutta.
Tämä työ on alkuvaihe laajemmalle ja yksityiskohtaisemmalle tutkimukselle lineaarikiihdytin pienoisversiosta. Huolimatta siitä, että testattu versio näyttää jo erinomaisia tuloksia, joita voidaan oikeutetusti kutsua ennätykseksi, työtä on vielä paljon tehtävänä.
Kiitos huomiosta, pysykää utelias ja mukavaa viikkoa kaikille! 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com