Tha am prionnsapal aithnichte de “barrachd nas cumhachdaiche” air a bhith air a stèidheachadh o chionn fhada ann an iomadh roinn den chomann-shòisealta, a’ toirt a-steach saidheans agus teicneòlas. Ach, ann an da-rìribh an latha an-diugh, practaigeach buileachadh an abairt "beag, ach cumhachdach" a 'fàs nas cumanta. Tha seo air a nochdadh an dà chuid ann an coimpiutairean, a bha roimhe seo a 'gabhail suas seòmar gu lèir, ach a-nis a' freagairt ann am pailme pàiste, agus ann an luathaichean gràinean fo chasaid. Tha, cuimhnich air an Large Hadron Collider (LHC), aig a bheil tomhasan drùidhteach (26 m de dh'fhaid) gu litireil air an comharrachadh san ainm? Mar sin, tha seo mar-thà na rud san àm a dh'fhalbh a rèir luchd-saidheans bho DESY, a tha air dreach beag den luathadair a leasachadh, nach eil nas ìsle ann an coileanadh na bha roimhe ann an làn-mheud. A bharrachd air an sin, shuidhich am mion-luathadair eadhon clàr cruinne ùr am measg luathaichean terahertz, a’ dùblachadh lùth nan dealanan freumhaichte. Ciamar a chaidh an luathadair beag a leasachadh, dè na prionnsapalan bunaiteach airson a ghnìomhachd, agus dè na deuchainnean practaigeach a tha air an sealltainn? Cuidichidh aithisg na buidhne rannsachaidh sinn gus faighinn a-mach mu dheidhinn seo. Rachaibh.
Bunait rannsachaidh
A rèir Dongfang Zhang agus a cho-obraichean aig DESY (Gearmailteach Electron Synchrotron), a leasaich am mion-luathadair, tha àite air leth cudromach aig stòran dealanach ultrafast ann am beatha comann-sòisealta an latha an-diugh. Bidh mòran dhiubh a 'nochdadh ann an leigheas, leasachadh dealanach agus rannsachadh saidheansail. Is e an duilgheadas as motha le luathadairean sreathach gnàthach a’ cleachdadh oscillators tricead rèidio an cosgais àrd, bun-structar iom-fhillte, agus caitheamh cumhachd drùidhteach. Agus tha na h-uireasbhaidhean sin gu mòr a 'cuingealachadh na tha ri fhaighinn de theicneòlasan mar sin do raon nas fharsainge de luchd-cleachdaidh.
Tha na duilgheadasan follaiseach sin nan deagh bhrosnachadh airson innealan a leasachadh nach adhbharaich meud agus caitheamh cumhachd uabhas.
Am measg nan stuthan ùra anns a’ ghnìomhachas seo tha luathaichean terahertz, aig a bheil grunn “buannachdan”:
- Thathas an dùil gun àrdaich tonnan goirid agus buillean goirid de rèididheachd terahertz an stairsneach gu mòr briseadh sìos *, air adhbhrachadh leis an raon, a bheir àrdachadh air ìrean luathachaidh;
Briseadh dealain * - àrdachadh geur ann an neart an t-sruth nuair a thèid bholtaids os cionn deatamach a chuir an sàs.
- tha làthaireachd dhòighean èifeachdach airson rèididheachd terahertz àrd-raoin a ghineadh a’ ceadachadh sioncronadh a-staigh eadar dealanan agus raointean excitation;
- Faodar dòighean clasaigeach a chleachdadh gus innealan mar sin a chruthachadh, ach thèid an cosgais, an ùine toraidh agus am meud a lughdachadh gu mòr.
Tha luchd-saidheans den bheachd gu bheil an luathadair terahertz sgèile millimeter aca na cho-rèiteachadh eadar luathaichean gnàthach a tha rim faighinn an-dràsta agus meanbh-luathaichean a thathas a’ leasachadh, ach aig a bheil mòran eas-bhuannachdan air sgàth na tomhasan glè bheag aca.
Chan eil luchd-rannsachaidh a’ dol às àicheadh gu bheil teicneòlas luathachaidh terahertz air a bhith ga leasachadh airson ùine. Ach, nam beachd-san, tha mòran thaobhan san raon seo fhathast nach deach a sgrùdadh, a dhearbhadh no a chuir an gnìomh.
Anns an obair aca, air a bheil sinn a’ beachdachadh an-diugh, tha luchd-saidheans a’ nochdadh comasan STEAM (luathadair dealanach terahertz sgaraichte agus manipulator) - luathadair dealanach terahertz sgaraichte agus manipulator. Tha STEAM ga dhèanamh comasach fad an beam dealanach a lughdachadh gu fad fo-picosecond, agus mar sin a’ toirt smachd femtosecond air an ìre luathachaidh.
Bha e comasach raon luathachaidh de 200 MV / m (MV - megavolt) a choileanadh, a tha a’ leantainn gu luathachadh terahertz nas àirde na> 70 keV (kiloelectronvolt) bhon beam dealanach freumhaichte le lùth de 55 keV. San dòigh seo, chaidh dealanan luathaichte suas gu 125 keV fhaighinn.
Structar agus buileachadh an inneal
Ìomhaigh Àir. 1: diagram den inneal fo sgrùdadh.
Ìomhaigh Àireamh 1-2: a - diagram den structar sgaraichte 5-còmhdach leasaichte, b - co-mheas de luathachadh àireamhaichte agus stiùireadh iomadachadh dealanach.
Bithear a’ cruthachadh sailean dealain (55 keV) bho gunna-dealain* agus thèid an toirt a-steach don terahertz STEAM-buncher (beam compressor), às deidh sin thèid iad a-steach don STEAM-linac (luathadair loidhneach*).
Gunna dealain* - inneal airson beam de eleactronan a chruthachadh den rèiteachadh agus an lùth a tha a dhìth.
Luasaire loidhneach* - luathadair anns am bi mìrean fo chasaid a’ dol tron structar dìreach aon turas, a tha ag eadar-dhealachadh luathadair sreathach bho fhear cearcallach (mar eisimpleir, an LHC).
Bidh an dà inneal STEAM a’ faighinn buillean terahertz bho aon leusair faisg air infridhearg (NIR), a bhios cuideachd a’ losgadh photocatode a’ ghunna dealanach, a’ leantainn gu sioncronadh a-staigh eadar dealanan agus raointean luathachaidh. Bithear a’ gineadh buillean ultraviolet airson photoemmission aig an photocatode tro dhà ìre an dèidh a chèile GVG* tonn-tonn bunaiteach de sholas faisg air infridhearg. Bidh am pròiseas seo ag atharrachadh buille laser 1020 nm an toiseach gu 510 nm agus an uairsin gu 255 nm.
GVG* (dàrna ginealach harmonic optigeach) am pròiseas a bhith a’ cothlamadh photons den aon tricead rè eadar-obrachadh le stuth neo-loidhneach, a tha a’ leantainn gu cruthachadh photons ùra le dà uiread an lùth agus tricead, a bharrachd air leth an tonn-tonn.
Tha an còrr de ghiùlan laser NIR air a roinn ann an 4 sailean, a thathas a’ cleachdadh gus ceithir buillean terahertz aon-chearcall a ghineadh le bhith a’ gineadh eadar-dhealachaidhean tricead taobh a-staigh cuisle.
Bidh an dà chuisle terahertz an uairsin air an lìbhrigeadh gu gach inneal STEAM tro structaran adharc co-chothromach a bhios a’ stiùireadh lùth terahertz a-steach don roinn eadar-obrachaidh thairis air stiùireadh sgaoileadh dealanach.
Nuair a thèid dealanan a-steach do gach inneal STEAM, bidh iad fosgailte do cho-phàirtean dealain is magnetach Feachd Lorentz*.
Lorentz feachd* - an fheachd leis a bheil an raon electromagnetic ag obair air mìrean fo chasaid.
Anns a 'chùis seo, tha an raon dealain an urra ri luathachadh agus luasgadh, agus tha an raon magnetach ag adhbhrachadh sreapadairean taobhach.
Ìomhaigh #2
Mar a chì sinn anns na dealbhan 2 и 2b, Taobh a-staigh gach inneal STEAM, tha na sailean terahertz air an roinn gu transverse le siotaichean meatailt tana ann an grunn shreathan de dhiofar thiugh, gach fear dhiubh ag obair mar stiùir tonn, a’ gluasad pàirt den lùth iomlan chun roinn eadar-obrachaidh. Tha truinnsearan dielectric anns gach còmhdach cuideachd gus àm ruighinn an terahertz a cho-òrdanachadh aghaidh tonn* le aghaidh electronan.
Aghaidh na tonn* — an uachdar air an d' ràinig an tonn.
Bidh an dà inneal STEAM ag obair ann am modh dealain, is e sin, ann an dòigh a chuireas iad an sàs ann an raon dealain agus a chuireas casg air raon magnetach ann am meadhan an raon eadar-obrachaidh.
Anns a 'chiad inneal, tha ùine aig dealanan a dhol troimhe crois neoni* achadh terahertz, far a bheil caiseadan ùine den raon dealain air a mheudachadh agus an raon cuibheasach air a lughdachadh.
Crois neoni* - puing far nach eil teannachadh ann.
Tha an rèiteachadh seo ag adhbhrachadh gu bheil earball an beam dealanach a’ luathachadh agus a cheann a ’mealladh, a’ leantainn gu fòcas fad-ùine ballistic (2 и 2c).
Anns an dàrna inneal, tha sioncronadh rèididheachd electron agus terahertz air a shuidheachadh gus nach bi an giùlan dealanach a ’faighinn eòlas ach air cearcall àicheil de raon dealain terahertz. Tha an rèiteachadh seo a’ leantainn gu luathachadh leantainneach lom (2b и 2d).
Tha an leusair NIR na shiostam Yb:YLF le fuarachadh cryogenic a bhios a’ toirt a-mach buillean optigeach de fhad 1.2 ps agus lùth 50 mJ aig tonn-tonn de 1020 nm agus ìre ath-aithris de 10 Hz. Agus tha buillean terahertz le tricead meadhanach de 0.29 terahertz (ùine de 3.44 ps) air an gineadh leis an dòigh aghaidh cuisle claon.
Gus cumhachd a thoirt don STEAM-buncher (compressor beam) cha deach ach 2 x 50 nJ de lùth terahertz a chleachdadh, agus dh’ fheumadh an STEAM-linac (luathadair sreathach) 2 x 15 mJ.
Is e trast-thomhas tuill a-steach is a-mach an dà inneal STEAM 120 micron.
Tha an compressor beam air a dhealbhadh le trì sreathan de dh ’àirde co-ionann (0 mm), a tha uidheamaichte le truinnsearan silica ceangailte (ϵr = 225) de dh’ fhaid 4.41 agus 0.42 mm gus smachd a chumail air an àm. Tha àirdean co-ionann nan sreathan compressor a’ nochdadh nach eil luathachadh ann (2c).
Ach anns an luathadair sreathach tha na h-àirdean mar-thà eadar-dhealaichte - 0.225, 0.225 agus 0.250 mm (+ plataichean quartz fusion 0.42 agus 0.84 mm). Tha àrdachadh ann an àirde an t-sreath a 'mìneachadh an àrdachadh ann an astar nan dealanan aig àm luathachadh.
Tha luchd-saidheans mothachail gu bheil an àireamh de shreathan gu dìreach an urra ri gnìomhachd gach aon den dà inneal. Gus ìrean luathachaidh nas àirde a choileanadh, mar eisimpleir, bhiodh feum air barrachd shreathan agus rèiteachaidhean àirde eadar-dhealaichte gus an eadar-obrachadh as fheàrr fhaighinn.
Toraidhean deuchainnean practaigeach
An toiseach, tha an luchd-rannsachaidh a’ cur an cuimhne, ann an luathadairean tricead rèidio traidiseanta, gu bheil buaidh ìre ùineail an beam dealanach freumhaichte air feartan an t-seam luathaichte mar thoradh air an atharrachadh anns an raon dealain a chaidh fhaicinn nuair a bhios diofar eleactronan taobh a-staigh an t-seam a’ tighinn. aig amannan eadar-dhealaichte. Mar sin, faodar a bhith an dùil gun lean raointean le caiseadan nas àirde agus sailean le amannan nas fhaide gu sgaoileadh lùtha nas motha. Faodaidh giùlan stealladh fad ùine mhòr leantainn gu luachan nas àirde sgaoilidhean*.
Sgaoileadh* - àite ìre air a ghabhail thairis le giùlan luathaichte de ghràineanan luchdaichte.
Ann an cùis luathadair terahertz, tha ùine an raoin excitation timcheall air 200 uair nas giorra. Mar sin, teannachadh* bidh an raon le taic 10 tursan nas àirde.
Neart raon dealain * - comharra den raon dealain, co-ionann ris a’ cho-mheas den fheachd a chuirear an sàs ann an cosgais puing pàipearachd a chaidh a chuir aig àite sònraichte san raon gu meud a’ chosgais seo.
Mar sin, ann an luathadair terahertz, faodaidh na caiseadan achaidh a tha eòlach air dealanan a bhith grunn òrdughan meudachd nas àirde na ann an inneal àbhaisteach. Bidh an raon-ama air am faicear lùb an achaidh gu math nas lugha. Tha e a’ leantainn bho seo gum bi buaidh nas fhollaisiche aig fad an beam dealanach a chaidh a thoirt a-steach.
Cho-dhùin luchd-saidheans na teòiridhean sin a dhearbhadh ann an cleachdadh. Gus seo a dhèanamh, thug iad a-steach giùlan dealanach de dhiofar amannan, a bha fo smachd teannachaidh a’ cleachdadh a’ chiad inneal STEAM (STEAM-buncher).
Ìomhaigh #3
Anns a ’chùis far nach robh an compressor ceangailte ri stòr cumhachd, chaidh sailean de eleactronan (55 keV) le cosgais ∼1 fC (femtocoulomb) seachad timcheall air 300 mm bhon ghunna dealanach chun inneal luathachaidh sreathach (STEAM-linac). Dh’ fhaodadh na dealanan sin leudachadh fo bhuaidh feachdan cosgais fànais suas ri fad còrr is 1000 fs (femtoseconds).
Aig an ùine seo, ghabh an giùlan dealanach timcheall air 60% de leth-tonn an raoin luathachaidh aig tricead 1,7 ps, a’ leantainn gu speactram lùth iar-luathachadh le stùc aig 115 keV agus leth-leud den cuairteachadh lùtha. nas motha na 60 keV (3).
Gus coimeas a dhèanamh eadar na toraidhean sin agus an fheadhainn ris an robh dùil, chaidh suidheachadh iomadachadh dealanach tro luathadair sreathach a shamhlachadh nuair a bha na dealanan a-mach à sioncranachadh le (ie, a-mach à sioncranachadh leis) an ùine in-stealladh as fheàrr. Sheall àireamhachadh an t-suidheachaidh seo gu bheil an àrdachadh ann an lùth dealanach gu mòr an urra ri àm an in-stealladh, sìos gu sgèile ùine subpicsecond (3b). Is e sin, le suidheachadh as fheàrr, gheibh an dealan làn leth-chearcall de luathachadh rèididheachd terahertz anns gach ìre (3c).
Ma ruigeas na dealanan aig amannan eadar-dhealaichte, bidh iad a’ faighinn nas lugha de luathachadh anns a’ chiad shreath, a bheir orra siubhal troimhe nas fhaide. Bidh an desynchronization an uairsin ag àrdachadh anns na sreathan a leanas, ag adhbhrachadh slaodachadh gun iarraidh (3d).
Gus lùghdachadh a dhèanamh air a’ bhuaidh àicheil a th’ aig leudachadh ùineail an beam dealanach, bha a’ chiad inneal STEAM ag obair ann am modh teannachaidh. Chaidh fad an beam dealanach aig an linac a mheudachadh gu co-dhiù ~ 350 fs (leth leud) le bhith a’ gleusadh an lùth terahertz a chaidh a thoirt don fhrigeire agus ag atharrachadh an linac gu modh ad (4b).
Ìomhaigh #4
Chaidh an ùine beam as ìsle a shuidheachadh a rèir fad a’ chuisle photocatode UV, a bha ~600 fs. Bha àite cudromach aig an astar eadar an compressor agus an stiall cuideachd, a chuir casg air astar an fheachd tiughachaidh. Còmhla, tha na ceumannan sin a’ comasachadh cruinneas femtosecond anns an ìre stealladh den ìre luathachaidh.
Air an dealbh 4 chìthear gu bheil sgaoileadh lùth an beam dealanach teann às deidh an luathachadh as fheàrr ann an luathadair sreathach a’ lùghdachadh ~ 4 tursan an taca ris an fhear neo-bhrùite. Mar thoradh air luathachadh, tha speactram lùth na beam teannachaidh air a ghluasad a dh’ ionnsaigh lùths nas àirde, an taca ris an t-seam neo-bhrùichte. Tha an ìre as àirde den speactram lùtha às deidh luathachadh timcheall air 115 keV, agus tha an earball àrd lùth a’ ruighinn timcheall air 125 keV.
Tha na h-àireamhan sin, a rèir aithris beag luchd-saidheans, nan clàr luathachaidh ùr (mus robh an luathachadh bha e 70 keV) anns an raon terahertz.
Ach gus sgaoileadh lùtha a lughdachadh (4), feumar beam eadhon nas giorra a choileanadh.
Ìomhaigh #5
Ann an cùis beam neo-bhrùichte a chaidh a thoirt a-steach, tha eisimeileachd parabolic meud beam air an t-sruth a’ nochdadh an sgaoileadh transverse anns na treòrachadh còmhnard is dìreach: εx, n = 1.703 mm * mrad agus εy, n = 1.491 mm * mrad (5).
Leasaich teannachadh, an uair sin, an sgaoileadh transverse 6 tursan gu εx, n = 0,285 mm * mrad (còmhnard) agus εy,n = 0,246 mm * mrad (inghearach).
Is fhiach a bhith mothachail gu bheil an ìre de lughdachadh sgaoilidhean timcheall air dà uair cho mòr ris an ìre de lughdachadh fad beam, a tha na thomhas de neo-loidhneachd daineamaigs an eadar-obrachaidh le ùine nuair a bhios dealanan a’ faighinn fòcas làidir agus dì-chuimseachadh air an raon magnetach aig àm luathachadh (5b и 5c).
Air an dealbh 5b Chithear gu bheil dealanan a chaidh a thoirt a-steach aig an àm as fheàrr a’ faighinn eòlas air an leth-chearcall gu lèir de luathachadh an raoin dealain. Ach bidh eleactronan a ruigeas ro no às deidh an ùine as fheàrr a’ faighinn eòlas air nas lugha de luathachadh agus eadhon pàirt de mhealladh. Bidh dealanan mar sin a’ tighinn gu crìch le nas lugha de lùth, gu ìre mhòr a’ bruidhinn.
Thathas a’ cumail sùil air suidheachadh coltach ris nuair a bhios e fosgailte do raon magnetach. Bidh electronan air an stealladh aig an àm as fheàrr a’ faighinn eòlas air meudan co-chothromach de raointean magnetach adhartach is àicheil. Nam biodh toirt a-steach dealanan ron àm as fheàrr, bha barrachd raointean adhartach ann agus nas lugha de fheadhainn àicheil. Ma thèid dealanan a thoirt a-steach nas fhaide na an ùine as fheàrr, bidh nas lugha de dhealanach agus nas àicheil (5c). Agus tha an leithid de chlaonadh ag adhbhrachadh gum faod an dealan gluasad air an taobh chlì, deas, suas no sìos, a rèir a shuidheachadh an coimeas ris an axis, a tha a’ leantainn gu àrdachadh anns a’ ghluasad transverse a tha co-chosmhail ri fòcas no dì-chuimseachadh an t-seam.
Airson eòlas nas mionaidiche air nuances an sgrùdaidh, tha mi a’ moladh coimhead air и dha.
Epilogue
Ann an geàrr-chunntas, àrdaichidh coileanadh luathadair ma thèid fad an beam dealanach a lughdachadh. Anns an obair seo, bha an ùine beam a ghabhas coileanadh air a chuingealachadh le geoimeatraidh an stàlaidh. Ach, ann an teòiridh, faodaidh fad na beam ruighinn nas lugha na 100 fs.
Tha luchd-saidheans cuideachd a 'toirt fa-near gum faodar càileachd an t-seam a leasachadh tuilleadh le bhith a' lùghdachadh àirde nan sreathan agus a 'meudachadh an àireamh. Ach, chan eil an dòigh seo gun duilgheadasan, gu sònraichte a 'meudachadh iom-fhillteachd a' dèanamh an inneal.
Is e an obair seo a’ chiad ìre de sgrùdadh nas fharsainge agus nas mionaidiche air dreach beag de luathadair sreathach. A dh 'aindeoin gu bheil an dreach deuchainn mar-thà a' sealltainn toraidhean sàr-mhath, a dh'fhaodar a ràdh gu ceart mar chlàr, tha tòrr obrach ri dhèanamh fhathast.
Tapadh leibh airson an leughadh, fuirich fiosrach agus bi seachdain air leth math a ghillean! 🙂
Tapadh leibh airson fuireach còmhla rinn. An toil leat na h-artaigilean againn? A bheil thu airson susbaint nas inntinniche fhaicinn? Thoir taic dhuinn le bhith a’ cur òrdugh no a’ moladh do charaidean, Lasachadh de 30% airson luchd-cleachdaidh Habr air analog sònraichte de luchd-frithealaidh ìre inntrigidh, a chaidh a chruthachadh leinn dhut: (ri fhaighinn le RAID1 agus RAID10, suas ri 24 cores agus suas ri 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 uair nas saoire? A-mhàin an seo anns an Òlaind! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - bho $99! Leugh mu dheidhinn
Source: www.habr.com