Le principe que nous connaissons « plus signifie plus puissant » s'est déjà bien ancré dans de nombreux domaines de la société, y compris dans la science et la technologie. Cependant, dans la réalité moderne, nous constatons de plus en plus souvent la mise en pratique du proverbe « petit mais costaud ». Cela se manifeste aussi bien dans les ordinateurs qui prenaient autrefois toute une pièce, et qui tiennent maintenant dans la paume d'un enfant, que dans les accélérateurs de particules chargées. Oui, vous vous souvenez du grand collisionneur de hadrons (LHC), dont les dimensions imposantes (26 659 m de long) sont littéralement indiquées dans son nom ? Eh bien, cela appartient déjà au passé selon les scientifiques de DESY, qui ont développé une version miniature de l'accélérateur, qui ne cède en rien à son prédécesseur de taille complète en termes de performances. De plus, le mini accélérateur a même établi un nouveau record mondial parmi les accélérateurs térahertz, doublant l'énergie des électrons injectés. Comment le mini accélérateur a-t-il été développé, quels sont les principes fondamentaux de son fonctionnement et que montrent les expériences pratiques ? C'est ce que nous permettra de découvrir le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Fondement de l'étude
Selon Dongfang Zhang et ses collègues de DESY (Synchrotron Electronique Allemand), qui ont développé le mini-accélérateur, les sources d'électrons ultrarapides jouent un rôle incroyablement important dans la vie moderne. Beaucoup d'entre elles se manifestent dans la médecine, le développement de l'électronique et la recherche scientifique. Le plus grand problème des actuels accélérateurs linéaires utilisant des générateurs à radiofréquence est leur coût, la complexité de l'infrastructure et leur appétit dévorant en termes d'énergie consommée. Ces lacunes limitent considérablement l'accessibilité de ces technologies à un public plus large.
Ces problèmes évidents constituent un excellent stimulant pour le développement d'appareils dont la taille ne suscitera pas l'horreur, tout comme le niveau de puissance consommée.
Parmi les nouveautés relatives dans ce domaine, on peut citer les accélérateurs térahertz, qui possèdent plusieurs « atouts » :
- il est prévu que des ondes courtes et des impulsions courtes de rayonnement térahertz permettront d'augmenter considérablement le seuil de décharge*, provoqué par le champ, ce qui permettra d'augmenter les gradients d'accélération ;
Décharge électrique* — une augmentation rapide du courant lorsqu'une tension supérieure à un seuil critique est appliquée.
- la présence de méthodes efficaces pour la génération de rayonnement térahertz à champ élevé permet d'effectuer une synchronisation interne entre les électrons et les champs d'excitation;
- des méthodes classiques peuvent être utilisées pour créer de tels dispositifs, mais leur coût, leur temps de production et leurs dimensions seront considérablement réduits.
Les chercheurs estiment que leur accélérateur térahertz à échelle millimétrique est un compromis entre les accélérateurs classiques actuellement disponibles et les micro-accélérateurs en cours de développement, qui présentent de nombreux inconvénients en raison de leurs très petites dimensions.
Les chercheurs ne nient pas que la technologie d'accélération térahertz est en développement depuis quelque temps. Cependant, à leur avis, il reste encore de nombreux aspects dans ce domaine qui n'ont pas été étudiés, vérifiés ou réalisés.
Dans leur travail, que nous examinons aujourd'hui, les scientifiques démontrent les capacités de STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — accélérateur térahertz électronique segmenté et manipulateur. STEAM permet de réduire la longueur du faisceau d'électrons à une durée de sous-picoseconde, offrant ainsi un contrôle femtoseconde sur la phase d'accélération.
Un champ d'accélération de 200 MV/m (MV — mégavolt) a été atteint, ce qui entraîne un accélération térahertz record à > 70 keV (kiloélectronvolt) du faisceau d'électrons implanté avec une énergie de 55 keV. Cela a permis d'obtenir des électrons accélérés jusqu'à 125 keV.
Structure de l'appareil et sa réalisation
Image n° 1 : schéma de l'appareil étudié.
Image n° 1-2 : a — schéma de la structure segmentée à 5 couches développée, b — rapport entre l'accélération calculée et la direction de propagation des électrons.
Des faisceaux d'électrons (55 keV) sont générés à partir de pistolet électronique* et sont injectés dans le STEAM-buncher térahertz (compresseur de faisceau), puis passent dans le STEAM-linac (accélérateur linéaire*).
Pistolet électronique* — dispositif de génération de faisceau d'électrons de configuration et d'énergie nécessaires.
Accélérateur linéaire* — un accélérateur dans lequel les particules chargées traversent la structure uniquement une fois, ce qui distingue l'accélérateur linéaire de l'accélérateur cyclique (par exemple, le LHC).
Les deux dispositifs STEAM reçoivent des impulsions térahertz d'un même laser à lumière infrarouge proche (NIR), qui active également le photocathode d'un canon électronique, entraînant une synchronisation interne entre les électrons et les champs d'accélération. Des impulsions ultraviolettes pour l'émission photoélectrique sur le photocathode sont générées à travers deux étapes consécutives. GVG* de la longueur d'onde principale de la lumière infrarouge proche. Ce processus transforme l'impulsion laser d'une longueur d'onde de 1020 nm en 510 nm puis en 255 nm.
GVG* (génération de la seconde harmonique optique) — un processus qui consiste à combiner des photons ayant la même fréquence lors d'une interaction avec un matériau non linéaire, ce qui entraîne la formation de nouveaux photons avec une énergie et une fréquence doublées, ainsi qu'une longueur d'onde deux fois moindre.
Le reste du faisceau laser NIR est séparé en 4 faisceaux, qui sont utilisés pour générer quatre impulsions térahertz à cycle unique par le biais de la génération de différences de fréquences intrapulsées.
Deux impulsions térahertz sont ensuite dirigées vers chaque dispositif STEAM via des structures en cornes symétriques, qui orientent l'énergie térahertz vers la zone d'interaction perpendiculairement à la direction de propagation des électrons.
Lorsque les électrons entrent dans chaque dispositif STEAM, ils subissent l'influence de composants électriques et magnétiques. force de Lorentz*.
La force de Lorentz* — est la force avec laquelle un champ électromagnétique agit sur une particule chargée.
Dans ce cas, le champ électrique est responsable de l'accélération et du ralentissement, tandis que le champ magnétique provoque des déviations transversales.
Image n°2
Comme nous le voyons sur les images 2a et 2b, à l'intérieur de chaque dispositif STEAM, les faisceaux térahertz sont séparés transversalement par des feuilles métalliques fines en plusieurs couches de différentes épaisseurs, chacune agissant comme un guide d'onde, transportant une partie de l'énergie totale vers la zone d'interaction. Chaque couche contient également des plaques diélectriques pour synchroniser le temps d'arrivée du front d'onde térahertz* avec le front des électrons. Le front d'onde*
— est la surface atteinte par l'onde. Les deux dispositifs STEAM fonctionnent en mode électrique, c'est-à-dire de manière à produire un recouvrement du champ électrique et une suppression du champ magnétique au centre de la zone d'interaction.
Les deux appareils STEAM fonctionnent en mode électrique, c'est-à-dire de manière à produire un champ électrique superposé et à supprimer le champ magnétique au centre de la zone d'interaction.
Dans le premier dispositif, les électrons sont chronométrés de manière à passer à travers le croisement de zéro* un champ térahertz, où les gradients temporels du champ électrique sont maximisés, tandis que le champ moyen est minimisé.
Le croisement de zéro* est le point où il n'y a aucune tension.
Cette configuration provoque une accélération de la queue du faisceau d'électrons et un ralentissement de sa tête, entraînant une focalisation longitudinale balistique (2a et 2c).
Dans le deuxième dispositif, la synchronisation de l'électron et de l'émission térahertz est établie de manière à ce que le faisceau d'électrons ne subisse que le cycle négatif du champ électrique térahertz. Cette configuration conduit à une accélération continue pure (2b et 2d).
Un laser à émission NIR ressemble à un système Yb:YLF refroidi cryogénétiquement, émettant des impulsions optiques d'une durée de 1,2 ps et d'une énergie de 50 mJ à une longueur d'onde de 1020 nm et une fréquence de répétition de 10 Hz. Les impulsions térahertz avec une fréquence centrale de 0,29 térahertz (période de 3,44 ps) sont générées par la méthode de front d'impulsion incliné.
Pour alimenter le STEAM-buncher (compresseur de faisceau), seulement 2 x 50 nJ d'énergie térahertz ont été utilisées, tandis que pour le STEAM-linac (accélérateur linéaire), 2 x 15 mJ étaient nécessaires.
Le diamètre des ouvertures d'entrée et de sortie des deux dispositifs STEAM est de 120 µm.
Le compresseur de faisceau est conçu avec trois couches de hauteur identique (0,225 mm), équipées de plaques en quartz fondu (ϵr = 4,41) de longueurs 0,42 et 0,84 mm pour le contrôle de la synchronisation temporelle. Les hauteurs égales des couches du compresseur reflètent le fait qu'il n'y a pas d'accélération (2c).
Cependant, dans l'accélérateur linéaire, les hauteurs diffèrent déjà — 0,225, 0,225 et 0,250 mm (+ plaques en quartz fondu de 0,42 et 0,84 mm). L'augmentation de la hauteur de la couche explique l'augmentation de la vitesse des électrons lors de l'accélération.
Les scientifiques notent que le nombre de couches répond directement à la fonctionnalité de chacun des deux dispositifs. Pour obtenir un degré d'accélération plus élevé, par exemple, il faudra plus de couches et une autre configuration de hauteurs pour optimiser l'interaction.
Les résultats des expériences pratiques
Tout d'abord, les chercheurs rappellent que dans les accélérateurs à radiofréquence conventionnels, l'influence de la durée temporelle du faisceau d'électrons injecté sur les propriétés du faisceau accéléré est liée au changement du champ électrique expérimenté lors de l'interaction entre différents électrons au sein du faisceau, arrivant à des moments différents. Ainsi, on peut supposer que des champs avec un plus grand gradient et des faisceaux de plus longue durée entraîneront une plus grande dispersion d'énergies. Les faisceaux de longue durée introduits peuvent également conduire à des valeurs plus élevées. émittance*.
Émittance* — l'espace de phase occupé par le faisceau accéléré de particules chargées.
Dans le cas d'un accélérateur térahertz, la période du champ d'excitation est environ 200 fois plus courte. Par conséquent, l'intensité* du champ maintenu sera 10 fois plus élevée.
L'intensité du champ électrique* est un indicateur du champ électrique, égal au rapport de la force appliquée à une charge ponctuelle immobile placée en ce point du champ à la valeur de cette charge.
Ainsi, dans un accélérateur térahertz, les gradients de champ éprouvés par les électrons peuvent être plusieurs ordres de grandeur plus élevés que dans un appareil normal. L'échelle de temps sur laquelle la courbure du champ est perceptible sera également beaucoup plus courte. Il en résulte que la durée du faisceau d'électrons injecté aura une influence plus marquée.
Les scientifiques ont décidé de vérifier pratiquement ces données théoriques. Pour cela, ils ont injecté des faisceaux d'électrons de différentes durées, contrôlées par compression grâce au premier dispositif STEAM (STEAM-buncher).
Image n°3
Dans le cas où le compresseur n'était pas connecté à une source d'alimentation, des faisceaux d'électrons (55 keV) avec une charge d'environ 1 fC (fémtocoulomb) ont parcouru environ 300 mm depuis le canon électronique jusqu'à l'appareil d'accélérateur linéaire (STEAM-linac). Ces électrons pouvaient se dilater sous l'effet des forces de charge spatiale jusqu'à une durée dépassant 1000 fs (femtosecondes).
À cette durée, le faisceau électronique occupait environ 60 % de la demi-onde du champ accélérateur à une fréquence de 1,7 ps, ce qui entraînait un spectre énergétique après l'accélération avec un pic à 115 keV et une largeur de répartition de l'énergie de plus de 60 keV.3a).
Pour comparer ces résultats avec les attentes, une situation de propagation des électrons à travers un accélérateur linéaire a été modélisée, lorsque les électrons étaient désynchronisés (c'est-à-dire ne coïncidaient pas) par rapport au temps optimal d'injection. Les calculs de cette situation ont montré que le gain d'énergie des électrons dépend fortement du moment d'injection, jusqu'à l'échelle de temps subpicoseconde (3b). Cela signifie qu'avec un réglage optimal, l'électron subira la pleine demi-période d'accélération du rayonnement térahertz dans chaque couche (3c).
Si les électrons arrivent à des moments différents, ils subissent moins d'accélération dans la première couche, ce qui leur prend plus de temps pour la traverser. Ensuite, la désynchronisation s'accentue dans les couches suivantes, ce qui entraîne un ralentissement indésirable (3d).
Pour minimiser au maximum l'effet négatif de la durée temporelle du faisceau d'électrons, le premier appareil STEAM a fonctionné en mode de compression. La durée du faisceau d'électrons dans l'accélérateur linéaire a été optimisée au minimum d'environ 350 fs (largeur à mi-hauteur) en ajustant l'énergie térahertz fournie au compresseur et en commutant l'accélérateur linéaire en mode de hachage (4b).
Image n°4
La durée minimale du faisceau a été établie en fonction de la durée de l'impulsion UV du photocathode, qui était d'environ 600 fs. De plus, la distance entre le compresseur et la bande a joué un rôle important, ce qui limitait l'intensité de l'épaississement en vitesse. Dans l'ensemble, ces mesures permettent d'assurer une précision de phase dans l'ordre de la femtoseconde à l'étape d'accélération.
Sur l'image 4a Il est évident que la dispersion d'énergie du faisceau d'électrons comprimé après une accélération optimisée dans l'accélérateur linéaire est réduite d'environ 4 fois par rapport à celle non comprimée. Grâce à l'accélération, le spectre énergétique du faisceau comprimé se déplace vers des énergies plus élevées, contrairement au faisceau non comprimé. Le pic du spectre énergétique après l'accélération atteint environ 115 keV, et la queue à haute énergie atteint environ 125 keV.
Ces chiffres, selon l'affirmation modeste des scientifiques, représentent un nouveau record d'accélération (avant l'accélération, c'était 70 keV) dans la gamme térahertz.
Cependant, pour réduire la dispersion d'énergie (4a), il est nécessaire d'atteindre un faisceau encore plus court.
Image n°5
Dans le cas d'un faisceau de particules non comprimé, la dépendance parabolique de la taille du faisceau au courant révèle l'émittance transverse dans les directions horizontale et verticale : εx,n = 1,703 mm*mrad et εy,n = 1,491 mm*mrad (5a).
La compression, quant à elle, a amélioré l'émittance transverse par 6 fois jusqu'à εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) et εy,n = 0,246 mm*mrad (vertical).
Il convient de noter que le degré de réduction de l'émittance est environ deux fois plus important que le degré de réduction de la durée du faisceau, ce qui est une mesure de la non-linéarité de la dynamique d'interaction dans le temps, lorsque les électrons subissent une forte focalisation et défocalisation du champ magnétique pendant l'accélération (5b et 5c).
Sur l'image 5b il est perceptible que les électrons introduits au moment optimal subissent toute la semi-période d'accélération du champ électrique. En revanche, les électrons qui arrivent avant ou après le moment optimal subissent une accélération moindre et même un ralentissement partiel. En conséquence, ces électrons reçoivent moins d'énergie, pour dire les choses simplement.
Une situation similaire est observée en présence du champ magnétique. Les électrons introduits au moment optimal subissent une quantité symétrique de champs magnétiques positifs et négatifs. En revanche, si l'introduction des électrons a eu lieu avant le moment optimal, il y avait plus de champs positifs et moins de champs négatifs. Dans le cas de l'introduction d'électrons après le moment optimal, c'est l'inverse : moins de champs positifs et plus de champs négatifs (5c). De tels écarts conduisent à ce qu'un électron puisse dévier vers la gauche, la droite, vers le haut ou vers le bas en fonction de sa position par rapport à l'axe, ce qui entraîne une augmentation de l'impulsion transverse, correspondant à la focalisation ou à la défocalisation du faisceau.
Pour une compréhension plus approfondie des nuances de l'étude, je recommande de consulter le et à ce sujet.
Épilogue
En résumé, la performance de l'accélérateur sera améliorée en réduisant la durée du faisceau d'électrons. Dans cette étude, la durée réalisable du faisceau a été limitée par la géométrie de l'installation. Mais, en théorie, la durée du faisceau peut atteindre moins de 100 fs.
Les chercheurs notent également que la qualité du faisceau peut être améliorée ultérieurement en réduisant la hauteur des couches et en augmentant leur nombre. Cependant, cette méthode n'est pas sans problèmes, notamment l'augmentation de la complexité de la fabrication de l'appareil.
Ce travail constitue la première étape d'une étude plus vaste et détaillée de la version miniature d'un accélérateur linéaire. Bien que la version testée montre déjà d'excellents résultats, qu'on peut légitimement qualifier de records, il reste encore beaucoup à faire.
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Source : habr.com
