O principio familiar "máis é máis poderoso" estivo establecido dende hai tempo en moitos sectores da sociedade, incluíndo a ciencia e a tecnoloxía. Non obstante, nas realidades modernas, cada vez hai máis veces unha implementación práctica do dito "pequeno, pero atrevido". Isto maniféstase tanto en ordenadores que antes ocupaban unha sala enteira e agora caben na palma da man dun neno, como en aceleradores de partículas. Si, si, lembra o Gran Colisionador de Hadrons (LHC), cuxas impresionantes dimensións (26 m de lonxitude) están literalmente indicadas no seu nome? Ben, isto xa está no pasado, segundo os científicos de DESY, que desenvolveron unha versión en miniatura do acelerador, que, en termos de rendemento, non é inferior ao seu predecesor de tamaño completo. Ademais, o mini acelerador incluso estableceu un novo récord mundial entre os aceleradores de terahercios duplicando a enerxía dos electróns implantados. Como se desenvolveu o acelerador en miniatura, cales son os principais principios do seu funcionamento e que demostraron os experimentos prácticos? O informe do grupo de investigación axudaranos a coñecer isto. Vaia.
Base de investigación
Segundo Dongfang Zhang e os seus colegas de DESY (German Electron Synchrotron), que desenvolveron o mini-acelerador, as fontes de electróns ultrarrápidas xogan un papel incriblemente importante na sociedade moderna. Moitos deles maniféstanse na medicina, no desenvolvemento da electrónica e na investigación científica. O maior problema dos linacs actuais que usan osciladores de RF é o seu alto custo, a complexidade da infraestrutura e o seu enorme apetito polo consumo de enerxía. E tales deficiencias limitan gravemente a dispoñibilidade de tales tecnoloxías para unha gama máis ampla de usuarios.
Estes problemas obvios son un gran incentivo para desenvolver dispositivos que non serán intimidantes en canto ao tamaño, así como ao grao de consumo de enerxía.
Entre as novidades relativas nesta industria, pódense distinguir os aceleradores de terahercios, que teñen unha serie de "goodencias":
- espérase que as ondas curtas e os pulsos curtos de radiación de terahercios permitan un aumento significativo do limiar avaría*, provocada polo campo, que aumentará os gradientes de aceleración;
Avaría eléctrica* - un forte aumento da intensidade da corrente cando se aplica unha tensión por encima da crítica.
- a dispoñibilidade de métodos eficientes para xerar radiación de terahercios de alto campo permite realizar a sincronización interna entre electróns e campos de excitación;
- pódense utilizar métodos clásicos para crear estes dispositivos, pero o seu custo, tempo de produción e tamaño reduciranse moito.
Os científicos cren que o seu acelerador de terahercios a escala milimétrica é un compromiso entre os aceleradores convencionais que están dispoñibles actualmente e os microaceleradores que se están a desenvolver, pero que presentan moitas desvantaxes debido ás súas xa moi pequenas dimensións.
Os investigadores non negan que a tecnoloxía de aceleración de terahercios estivo en desenvolvemento dende hai tempo. Non obstante, ao seu xuízo, aínda quedan moitos aspectos neste ámbito que non foron estudados, probados nin implantados.
No seu traballo, que estamos considerando hoxe, os científicos demostran as posibilidades de STEAM (Acelerador e manipulador de electróns de terahercios segmentados) é un acelerador e manipulador de electróns de terahercios segmentados. STEAM fai posible reducir a lonxitude do feixe de electróns a unha duración de sub-picosegundos, proporcionando así un control de femtosegundo sobre a fase de aceleración.
Foi posible acadar un campo de aceleración de 200 MV/m (MV - megavoltio), o que leva a unha aceleración récord de terahercios de > 70 keV (kiloelectronvoltio) a partir dun feixe de electróns implantado cunha enerxía de 55 keV. Deste xeito, obtivéronse electróns acelerados de ata 125 keV.
Estrutura e implementación do dispositivo
Imaxe #1: Esquema do dispositivo en estudo.
Imaxe no 1-2: a - un diagrama da estrutura segmentada de 5 capas desenvolvida, b - a relación entre a aceleración calculada e a dirección da propagación dos electróns.
Xéranse feixes de electróns (55 keV). canón electrónico* e introdúcense no STEAM-buncher de terahercios (compresor de feixe), despois de que se transfiran a STEAM-linac (acelerador lineal*).
canón de electróns* — un dispositivo para xerar un feixe de electróns da configuración e enerxía necesarias.
Acelerador lineal* - un acelerador no que as partículas cargadas atravesan a estrutura só unha vez, o que distingue un acelerador lineal dun cíclico (por exemplo, o LHC).
Ambos os dispositivos STEAM reciben pulsos de terahercios dun único láser de infravermellos próximos (NIR), que tamén dispara o fotocátodo do canón de electróns, o que produce a sincronización interna entre os electróns e os campos acelerados. Os pulsos ultravioleta para a fotoemisión no fotocátodo xéranse a través de dúas etapas sucesivas Gvg* lonxitude de onda fundamental da luz infravermella próxima. Este proceso converte un pulso láser de 1020 nm primeiro en 510 nm e despois en 255 nm.
Gvg* (segunda xeración harmónica) - o proceso de combinación de fotóns coa mesma frecuencia durante a interacción cun material non lineal, o que leva á formación de novos fotóns co dobre de enerxía e frecuencia, así como a metade da lonxitude de onda.
A parte restante do feixe láser NIR divídese en 4 feixes, que se utilizan para xerar catro pulsos de terahercios dun só ciclo xerando unha diferenza de frecuencia intra-pulso.
Dous pulsos de terahercios entran entón en cada dispositivo STEAM a través de estruturas de cornetas simétricas que dirixen a enerxía de terahercios á rexión de interacción a través da dirección da propagación dos electróns.
A medida que os electróns entran en cada un dos dispositivos STEAM, están expostos a compoñentes eléctricos e magnéticos. Forzas de Lorentz*.
Forza de Lorentz* é a forza coa que actúa un campo electromagnético sobre unha partícula cargada.
Neste caso, o campo eléctrico é responsable da aceleración e desaceleración, mentres que o campo magnético provoca desvíos laterais.
Imaxe #2
Como vemos nas imaxes 2 и 2b, dentro de cada dispositivo STEAM, os feixes de terahercios están separados transversalmente por finas chapas metálicas en varias capas de diferente grosor, cada unha das cales actúa como guía de ondas, transferindo parte da enerxía total á rexión de interacción. Ademais, en cada capa hai placas dieléctricas para coincidir co tempo de chegada do sinal de terahercios. fronte de onda* cunha fronte electrónica.
Fronte de onda* é a superficie á que chegou a onda.
Ambos os dispositivos STEAM funcionan en modo eléctrico, é dicir, de forma que se produce a imposición dun campo eléctrico e a supresión dun campo magnético no centro da zona de interacción.
No primeiro dispositivo, os electróns están temporizados para pasar paso por cero* campo de terahercios, onde se maximizan os gradientes temporais do campo eléctrico e se minimiza o campo medio.
Paso cero* - o punto onde non hai tensión.
Esta configuración fai que a cola do feixe de electróns se acelere e a súa cabeza se desacelere, o que resulta nun enfoque lonxitudinal balístico (2 и 2s).
No segundo dispositivo, a sincronización da radiación de electróns e terahercios establécese para que o feixe de electróns experimente só o ciclo negativo do campo eléctrico de terahercios. Esta configuración resulta nunha aceleración continua neta (2b и 2d).
O láser NIR aseméllase a un sistema Yb:YLF arrefriado crioxenicamente que produce pulsos ópticos cunha duración de 1.2 ps e unha enerxía de 50 mJ a unha lonxitude de onda de 1020 nm e unha taxa de repetición de 10 Hz. E os pulsos de terahercios cunha frecuencia central de 0.29 terahercios (un período de 3.44 ps) son xerados polo método de pulso frontal inclinado.
Só se utilizou 2 x 50 nJ de enerxía de terahercios para alimentar o STEAM-buncher (compresor de feixe), mentres que 2 x 15 mJ foron necesarios para o STEAM-linac (acelerador lineal).
O diámetro da entrada e saída de ambos os dispositivos STEAM é de 120 µm.
O compresor de feixe está deseñado con tres capas da mesma altura (0 mm), que están equipadas con placas de sílice fundida (ϵr =225) de lonxitude 4.41 e 0.42 mm para o control do tempo. As alturas iguais das capas do compresor reflicten o feito de que non se produce ningunha aceleración (2s).
Pero no acelerador lineal, as alturas xa son diferentes: 0.225, 0.225 e 0.250 mm (+ placas de cuarzo fundido 0.42 e 0.84 mm). O aumento da altura da capa explica o aumento da velocidade dos electróns durante a aceleración.
Os científicos sinalan que o número de capas é directamente responsable da funcionalidade de cada un dos dous dispositivos. Para conseguir un maior grao de aceleración, por exemplo, necesitaranse máis capas e unha configuración de altura diferente para optimizar a interacción.
Resultados de experimentos prácticos
En primeiro lugar, os investigadores lembran que nos aceleradores tradicionais baseados en RF, a influencia da extensión temporal do feixe de electróns implantado nas propiedades do feixe acelerado está asociada a un cambio no campo eléctrico experimentado durante a interacción de diferentes electróns dentro da o feixe chegando en diferentes momentos. Así, pódese supoñer que os campos cun gran gradiente e os feixes de maior duración levarán a unha maior dispersión de enerxía. Os feixes inxectados de longa duración tamén poden levar a valores máis altos emisións*.
Emisión* é o espazo de fase ocupado por un feixe acelerado de partículas cargadas.
No caso dun acelerador de terahercios, o período do campo de excitación é unhas 200 veces máis curto. Polo tanto, tensión* campo admitido será 10 veces superior.
Intensidade de campo eléctrico* - un indicador do campo eléctrico, igual á relación entre a forza aplicada a unha carga de punto fixo colocada nun punto dado do campo e a magnitude desta carga.
Así, nun acelerador de terahercios, os gradientes de campo experimentados polos electróns poden ser varias ordes de magnitude máis altos que nun dispositivo convencional. A escala de tempo na que se nota a curvatura do campo será moito menor neste caso. Diso dedúcese que a duración do feixe de electróns inxectado terá un efecto máis pronunciado.
Os científicos na práctica decidiron probar estas teorías. Para iso, introduciron feixes de electróns de diferente duración, que se controlaban por compresión debido ao primeiro dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Imaxe #3
No caso de que o compresor non estaba conectado a unha fonte de enerxía, os feixes de electróns (55 keV) cunha carga de ∼1 fC (femtocoulomb) viaxaron aproximadamente 300 mm desde o canón de electróns ata o dispositivo acelerador lineal (STEAM-linac). Estes electróns poderían expandirse baixo a acción das forzas de carga espacial ata unha duración de máis de 1000 fs (femtosegundos).
Con esta duración, o feixe de electróns ocupou preto do 60% da media onda do campo acelerado cunha frecuencia de 1,7 ps, o que levou a un espectro de enerxía despois da aceleración cun pico a 115 keV e unha distribución de enerxía de media anchura de máis. superior a 60 keV (3).
Para comparar estes resultados cos esperados, simulouse a situación da propagación de electróns a través dun acelerador lineal, cando os electróns estaban dessincronizados (é dicir, non coinciden) con respecto ao tempo de inxección óptimo. Os cálculos desta situación mostraron que o aumento da enerxía dos electróns depende moito do momento da introdución ata a escala de tempo subpicosegundos.3b). É dicir, cunha sintonía óptima, o electrón experimentará un medio ciclo completo de aceleración de radiación de terahercios en cada capa (3s).
Se os electróns chegan en momentos diferentes, entón experimentan menos aceleración na primeira capa, desde a que precisan máis tempo para atravesala. A desincronización aumenta entón nas capas posteriores, provocando unha desaceleración non desexada (3d).
Para minimizar o efecto negativo da lonxitude temporal do feixe de electróns, o primeiro dispositivo STEAM funcionou en modo de compresión. A duración do feixe de electróns no linac optimizouse a un mínimo de ~ 350 fs (ancho medio) axustando a enerxía de terahercios subministrada ao compresor e cambiando o linac ao modo de eclosión.4b).
Imaxe #4
A duración mínima do feixe estableceuse de acordo coa duración do pulso UV do fotocátodo, cuxa duración foi de ~ 600 fs. A distancia entre o compresor e a tira tamén xogou un papel importante, o que limitou a velocidade da forza de espesamento. En conxunto, estas medidas permiten garantir a precisión dos femtosegundos da fase de inxección na fase de aceleración.
Na imaxe 4 Pódese ver que a propagación de enerxía do feixe de electróns comprimidos despois da aceleración optimizada no acelerador lineal diminúe nun factor de ~4 en comparación co sen comprimir. Debido á aceleración, o espectro de enerxía do feixe comprimido desprázase cara a enerxías máis altas, en contraste co feixe sen comprimir. O pico do espectro de enerxía despois da aceleración é duns 115 keV, e a cola de alta enerxía alcanza uns 125 keV.
Estes indicadores, segundo a modesta declaración dos científicos, son un novo récord de aceleración (antes da aceleración era de 70 keV) no rango de terahercios.
Pero para reducir a propagación de enerxía (4), é necesario conseguir un feixe aínda máis curto.
Imaxe #5
No caso dun feixe inxectado sen comprimir, a dependencia da corrente parabólica do tamaño do feixe revela a emisión transversal nas direccións horizontal e vertical: εx,n = 1.703 mm*mrad e εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
A compresión, pola súa banda, mellorou a emisión transversal nun factor de 6 ata εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) e εy,n = 0,246 mm*mrad (vertical).
Paga a pena notar que o grao de diminución da emisividade é aproximadamente o dobre que o grao de redución da duración do feixe, que é unha medida da non linealidade da dinámica de interacción co tempo, cando os electróns experimentan un forte enfoque e desenfocamento de campo magnético durante a aceleración (5b и 5s).
Na imaxe 5b pódese ver que os electróns introducidos no momento óptimo experimentan todo o medio ciclo da aceleración do campo eléctrico. Pero os electróns que chegan antes ou despois do punto de tempo óptimo experimentan menos aceleración e mesmo desaceleración parcial. Como resultado, tales electróns reciben menos enerxía, grosso modo.
Unha situación similar obsérvase baixo a influencia dun campo magnético. Os electróns inxectados no momento óptimo experimentan unha cantidade simétrica de campos magnéticos positivos e negativos. Se a introdución de electróns ocorreu antes do momento óptimo, entón había máis campos positivos e menos negativos. No caso de introdución de electróns máis tarde do momento óptimo, hai menos positivos e máis negativos (5s). E tales desviacións levan ao feito de que o electrón pode desviarse cara á esquerda, dereita, arriba ou abaixo, dependendo da posición relativa ao eixe, o que leva a un aumento do momento transversal correspondente ao enfoque ou desenfocamento do feixe.
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar и a el.
Epílogo
En resumo, a produtividade do acelerador aumentará se se reduce a duración do feixe de electróns. Neste traballo, a duración do feixe alcanzable estivo limitada pola xeometría de configuración. Pero, en teoría, a duración do feixe pode chegar a menos de 100 fs.
Os científicos tamén sinalan que a calidade do feixe pódese mellorar aínda máis reducindo a altura das capas e aumentando o seu número. Non obstante, este método non está exento de problemas, en particular a maior complexidade da fabricación do dispositivo.
Este traballo é a etapa inicial dun estudo máis extenso e detallado dunha versión en miniatura dun acelerador lineal. A pesar de que a versión probada xa mostra excelentes resultados, que con razón se poden chamar un récord, aínda queda moito traballo.
Grazas pola vosa atención, manteña a curiosidade e que teñades unha boa semana a todos! 🙂
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, Desconto do 30 % para os usuarios de Habr nun análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com