Le principe bien connu selon lequel « plus c’est plus puissant » est établi depuis longtemps dans de nombreux secteurs de la société, y compris la science et la technologie. Cependant, dans les réalités modernes, la mise en œuvre pratique de l'adage « petit mais puissant » devient de plus en plus courante. Cela se manifeste à la fois dans les ordinateurs, qui occupaient auparavant une pièce entière, mais qui tiennent désormais dans la paume d'un enfant, et dans les accélérateurs de particules chargées. Oui, vous vous souvenez du Grand collisionneur de hadrons (LHC), dont les dimensions impressionnantes (26 659 m de longueur) sont littéralement indiquées dans son nom ? C'est donc déjà une chose du passé, selon les scientifiques de DESY, qui ont développé une version miniature de l'accélérateur, dont les performances ne sont pas inférieures à celles de son prédécesseur grandeur nature. De plus, le mini-accélérateur a même établi un nouveau record mondial parmi les accélérateurs térahertz, doublant l'énergie des électrons intégrés. Comment l'accélérateur miniature a-t-il été développé, quels sont les principes de base de son fonctionnement et qu'ont montré les expériences pratiques ? Le rapport du groupe de recherche nous aidera à le découvrir. Aller.
Base de recherche
Selon Dongfang Zhang et ses collègues de DESY (synchrotron électronique allemand), qui ont développé le mini-accélérateur, les sources d'électrons ultrarapides jouent un rôle extrêmement important dans la vie de la société moderne. Beaucoup d’entre eux apparaissent dans la médecine, le développement de l’électronique et la recherche scientifique. Le plus gros problème des accélérateurs linéaires actuels utilisant des oscillateurs radiofréquence est leur coût élevé, leur infrastructure complexe et leur consommation d’énergie impressionnante. Et ces lacunes limitent considérablement la disponibilité de ces technologies pour un plus large éventail d’utilisateurs.
Ces problèmes évidents incitent grandement à développer des appareils dont la taille et la consommation électrique ne provoqueront pas d’horreur.
Parmi les nouveautés relatives dans cette industrie figurent les accélérateurs térahertz, qui présentent un certain nombre d'« avantages » :
- On s'attend à ce que des ondes courtes et des impulsions courtes de rayonnement térahertz augmentent considérablement le seuil panne*, provoqué par le champ, qui augmentera les gradients d'accélération ;
Panne électrique* - une forte augmentation de l'intensité du courant lorsqu'une tension supérieure au seuil critique est appliquée.
- la présence de méthodes efficaces pour générer un rayonnement térahertz à champ élevé permet 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 leur taille seront considérablement réduits.
Les scientifiques estiment que leur accélérateur térahertz à l'échelle millimétrique est un compromis entre les accélérateurs conventionnels actuellement disponibles et les micro-accélérateurs en cours de développement, mais 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 un certain temps. Cependant, à leur avis, de nombreux aspects dans ce domaine n'ont pas encore été étudiés, testés ou mis en œuvre.
Dans leurs travaux, que nous examinons aujourd'hui, les scientifiques démontrent les capacités de STEAM (accélérateur et manipulateur d'électrons térahertz segmentés) - un accélérateur et manipulateur d'électrons térahertz segmenté. STEAM permet de réduire la longueur du faisceau électronique à une durée inférieure à la picoseconde, offrant ainsi un contrôle femtoseconde sur la phase d'accélération.
Il a été possible d'obtenir un champ d'accélération de 200 MV/m (MV - mégavolt), ce qui conduit à une accélération térahertz record de > 70 keV (kiloélectronvolt) à partir du faisceau d'électrons intégré avec une énergie de 55 keV. De cette manière, des électrons accélérés jusqu’à 125 keV ont été obtenus.
Structure et mise en œuvre de l'appareil
Image n°1 : schéma de l'appareil étudié.
Image n°1-2 : a - schéma de la structure segmentée développée à 5 couches, b - rapport de l'accélération calculée et de la direction de propagation des électrons.
Des faisceaux d'électrons (55 keV) sont générés à partir de canon à électrons* et sont introduits dans le regroupeur térahertz STEAM (compresseur de faisceau), après quoi ils passent dans le STEAM-linac (accélérateur linéaire*).
Canon à électrons* — un dispositif permettant de générer un faisceau d'électrons de la configuration et de l'énergie requises.
Accélérateur linéaire* - un accélérateur dans lequel les particules chargées traversent la structure une seule fois, ce qui distingue un accélérateur linéaire d'un accélérateur cyclique (par exemple le LHC).
Les deux appareils STEAM reçoivent des impulsions térahertz d'un seul laser proche infrarouge (NIR), qui déclenche également la photocathode du canon à électrons, entraînant une synchronisation interne entre les électrons et les champs accélérateurs. Les impulsions ultraviolettes pour la photoémission au niveau de la photocathode sont générées en deux étapes successives GVG* longueur d'onde fondamentale de la lumière proche infrarouge. Ce processus convertit une impulsion laser de 1020 510 nm d’abord en 255 nm, puis en XNUMX nm.
GVG* (génération optique de seconde harmonique) est le processus de combinaison de photons de même fréquence lors de l'interaction avec un matériau non linéaire, ce qui conduit à la formation de nouveaux photons avec le double de l'énergie et de la fréquence, ainsi que la moitié de la longueur d'onde.
Le reste du faisceau laser NIR est divisé en 4 faisceaux, qui sont utilisés pour générer quatre impulsions térahertz à cycle unique en générant des différences de fréquence intra-impulsion.
Les deux impulsions térahertz sont ensuite transmises à chaque dispositif STEAM via des structures en cornet symétriques qui dirigent l'énergie térahertz dans la région d'interaction dans la direction de propagation des électrons.
Lorsque les électrons pénètrent dans chaque appareil STEAM, ils sont exposés aux composants électriques et magnétiques Forces de Lorentz*.
Force de Lorentz* - la force avec laquelle le champ électromagnétique agit sur une particule chargée.
Dans ce cas, le champ électrique est responsable de l’accélération et de la décélération, et le champ magnétique provoque des déflexions latérales.
Image #2
Comme on le voit sur les images 2a и 2b, À l'intérieur de chaque dispositif STEAM, les faisceaux térahertz sont divisés transversalement par de fines feuilles de métal en plusieurs couches d'épaisseur variable, dont chacune agit comme un guide d'ondes, transférant une partie de l'énergie totale vers la région d'interaction. Il y a aussi des plaques diélectriques dans chaque couche pour coordonner l'heure d'arrivée du térahertz front d'onde* avec le front des électrons.
Front d'onde* - la surface atteinte par la vague.
Les deux appareils STEAM fonctionnent en mode électrique, c'est-à-dire de manière à imposer un champ électrique et à supprimer un champ magnétique au centre de la zone d'interaction.
Dans le premier appareil, les électrons sont programmés pour traverser passage à zéro* champ térahertz, où les gradients temporels du champ électrique sont maximisés et le champ moyen est minimisé.
Passage à zéro* - un point où il n'y a pas de tension.
Cette configuration provoque une accélération de la queue du faisceau d'électrons et une décélération de sa tête, ce qui entraîne une focalisation longitudinale balistique (2a и 2с).
Dans le deuxième dispositif, la synchronisation du rayonnement électronique et térahertz est réglée de telle sorte que le faisceau d'électrons ne subisse qu'un cycle négatif du champ électrique térahertz. Cette configuration se traduit par une accélération continue nette (2b и 2d).
Le laser NIR est un système Yb:YLF refroidi cryogéniquement qui produit des impulsions optiques d'une durée de 1.2 ps et d'une énergie de 50 mJ à une longueur d'onde de 1020 10 nm et un taux de répétition de 0.29 Hz. Et des impulsions térahertz avec une fréquence centrale de 3.44 térahertz (période de XNUMX ps) sont générées par la méthode du front d'impulsion incliné.
Pour alimenter le STEAM-bundler (compresseur de faisceau), seulement 2 x 50 nJ d'énergie térahertz ont été utilisés, et le STEAM-linac (accélérateur linéaire) a nécessité 2 x 15 mJ.
Le diamètre des trous d'entrée et de sortie des deux appareils STEAM est de 120 microns.
Le compresseur à faisceau est conçu avec trois couches d'égale hauteur (0 mm), qui sont équipées de plaques de silice fondue (ϵr = 225) de longueur 4.41 et 0.42 mm pour contrôler le timing. Les hauteurs égales des couches du compresseur reflètent le fait qu'il n'y a pas d'accélération (2с).
Mais dans l'accélérateur linéaire, les hauteurs sont déjà différentes - 0.225, 0.225 et 0.250 mm (+ plaques de quartz fondu 0.42 et 0.84 mm). Une 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 est directement responsable de la fonctionnalité de chacun des deux appareils. Par exemple, pour atteindre des taux d’accélération plus élevés, il faudrait davantage de couches et différentes configurations de hauteur pour optimiser l’interaction.
Résultats des expériences pratiques
Premièrement, les chercheurs rappellent que dans les accélérateurs radiofréquences traditionnels, l'effet de l'étendue temporelle du faisceau d'électrons intégré sur les propriétés du faisceau accéléré est dû au changement du champ électrique ressenti lors de l'interaction des différents électrons au sein du faisceau arrivant. à différents moments. Ainsi, on peut s’attendre à ce que des champs avec des gradients plus élevés et des faisceaux avec des durées plus longues conduisent à une plus grande répartition de l’énergie. Des faisceaux injectés de longue durée peuvent également conduire à des valeurs plus élevées émissions*.
Émission* — espace de phase occupé par un faisceau accéléré de particules chargées.
Dans le cas d'un accélérateur térahertz, la période du champ d'excitation est environ 200 fois plus courte. Ainsi, tension* le champ pris en charge sera 10 fois plus élevé.
Intensité du champ électrique* - un indicateur du champ électrique, égal au rapport de la force appliquée à une charge ponctuelle stationnaire placée en un point donné du champ sur l'amplitude de cette charge.
Ainsi, dans un accélérateur térahertz, les gradients de champ subis par les électrons peuvent être plusieurs ordres de grandeur plus élevés que dans un dispositif conventionnel. L’échelle de temps sur laquelle la courbure du champ est perceptible sera nettement plus petite. Il s'ensuit que la durée du faisceau d'électrons introduit aura un effet plus prononcé.
Les scientifiques ont décidé de tester ces théories dans la pratique. Pour ce faire, ils ont introduit des faisceaux d'électrons de différentes durées, contrôlés par compression à l'aide du premier dispositif STEAM (STEAM-bunder).
Image #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 de ∼1 fC (femtocoulomb) passaient sur environ 300 mm du canon à électrons au dispositif accélérateur linéaire (STEAM-linac). Ces électrons pourraient se dilater sous l’influence des forces de charge d’espace pendant une durée supérieure à 1000 XNUMX fs (femtosecondes).
A cette durée, le faisceau d'électrons occupait environ 60 % de la demi-longueur d'onde du champ accélérateur à une fréquence de 1,7 ps, ce qui donne un spectre d'énergie post-accélération avec un pic à 115 keV et une demi-largeur de distribution d'énergie. supérieure à 60 keV (3a).
Pour comparer ces résultats avec ceux attendus, la situation de propagation des électrons à travers un accélérateur linéaire a été simulée lorsque les électrons étaient désynchronisés (c'est-à-dire désynchronisés avec) le temps d'injection optimal. Les calculs de cette situation ont montré que l'augmentation de l'énergie des électrons dépend fortement du moment de l'injection, jusqu'à une échelle de temps subpicoseconde (3b). Autrement dit, avec un réglage optimal, l'électron subira un demi-cycle complet d'accélération du rayonnement térahertz dans chaque couche (3с).
Si les électrons arrivent à des moments différents, ils subissent moins d’accélération dans la première couche, ce qui leur met plus de temps à la traverser. La désynchronisation augmente alors dans les couches suivantes, provoquant des ralentissements indésirables (3d).
Afin de minimiser l’effet négatif de l’extension temporelle du faisceau d’électrons, le premier appareil STEAM fonctionnait en mode compression. La durée du faisceau d'électrons au linac a été optimisée à un minimum d'environ 350 fs (demi-largeur) en réglant l'énergie térahertz fournie au compresseur et en commutant le linac en mode trappe (4b).
Image #4
La durée minimale du faisceau a été définie en fonction de la durée de l’impulsion UV de la photocathode, qui était d’environ 600 fs. La distance entre le compresseur et la bande jouait également un rôle important, ce qui limitait la vitesse de la force d'épaississement. Ensemble, ces mesures permettent une précision femtoseconde dans la phase d'injection de la phase d'accélération.
Sur l'image 4a on peut voir que la propagation de l'énergie du faisceau d'électrons compressé après une accélération optimisée dans un accélérateur linéaire diminue d'environ 4 fois par rapport à celui non compressé. En raison de l'accélération, le spectre énergétique du faisceau compressé est décalé vers des énergies plus élevées, contrairement au faisceau non compressé. Le pic du spectre énergétique après l'accélération est d'environ 115 keV et la queue à haute énergie atteint environ 125 keV.
Ces chiffres, selon la modeste déclaration des scientifiques, constituent un nouveau record d'accélération (avant l'accélération, il était de 70 keV) dans la gamme des térahertz.
Mais afin de réduire la dispersion d'énergie (4a), il faut obtenir un faisceau encore plus court.
Image #5
Dans le cas d'un faisceau introduit non compressé, la dépendance parabolique de la taille du faisceau au courant révèle l'émittance transversale dans les directions horizontale et verticale : εx,n = 1.703 mm*mrad et εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
La compression, à son tour, a amélioré l'émittance transversale de 6 fois pour atteindre 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 grand que le degré de réduction de la durée du faisceau, ce qui est une mesure de la non-linéarité de la dynamique d'interaction avec le temps lorsque les électrons subissent une forte focalisation et défocalisation du champ magnétique pendant l'accélération (5b и 5с).
Sur l'image 5b On peut voir que les électrons introduits au moment optimal subissent tout le demi-cycle d’accélération du champ électrique. Mais les électrons qui arrivent avant ou après le moment optimal subissent moins d’accélération, voire une décélération partielle. En gros, ces électrons finissent avec moins d’énergie.
Une situation similaire est observée lorsqu'elle est exposée à un champ magnétique. Les électrons injectés au moment optimal subissent des quantités symétriques de champs magnétiques positifs et négatifs. Si l’introduction des électrons avait lieu avant le moment optimal, alors il y avait plus de champs positifs et moins de champs négatifs. Si les électrons sont introduits plus tard que le moment optimal, il y aura moins de positifs et plus de négatifs (5с). Et de tels écarts conduisent au fait que l'électron peut dévier vers la gauche, la droite, le haut ou le bas, selon sa position par rapport à l'axe, ce qui entraîne une augmentation de l'impulsion transversale correspondant à la focalisation ou à la défocalisation du faisceau.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder и pour lui.
Le final
En résumé, les performances de l’accélérateur augmenteront si la durée du faisceau d’électrons est réduite. Dans ce travail, la durée de faisceau réalisable était limitée par la géométrie de l'installation. Mais en théorie, la durée du faisceau peut atteindre moins de 100 fs.
Les scientifiques notent également que la qualité du faisceau peut être encore améliorée en réduisant la hauteur des couches et en augmentant leur nombre. Cependant, ce procédé n'est pas sans problèmes, notamment en augmentant la complexité de fabrication du dispositif.
Ce travail constitue la première étape d’une étude plus approfondie et détaillée d’une version miniature d’un accélérateur linéaire. Malgré le fait que la version testée montre déjà d'excellents résultats, que l'on peut à juste titre qualifier de records, il reste encore beaucoup de travail à faire.
Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine à tous ! 🙂
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Source: habr.com