Poznato načelo "više je moćnije" odavno je uspostavljeno u mnogim sektorima društva, uključujući znanost i tehnologiju. Međutim, u suvremenoj stvarnosti, praktična provedba izreke "mali, ali moćni" postaje sve češća. To se očituje kako u računalima, koja su prije zauzimala cijelu sobu, a sada stanu u dlan djeteta, tako iu akceleratorima nabijenih čestica. Da, sjećate se Velikog hadronskog sudarača (LHC), čije su impresivne dimenzije (26 m duljine) doslovno naznačene u samom nazivu? Dakle, ovo je već stvar prošlosti prema znanstvenicima iz DESY-ja, koji su razvili minijaturnu verziju akceleratora, koja nije inferiorna u performansama od svog prethodnika u punoj veličini. Štoviše, mini akcelerator čak je postavio novi svjetski rekord među teraherc akceleratorima, udvostručivši energiju ugrađenih elektrona. Kako je razvijen minijaturni akcelerator, koji su osnovni principi njegova rada i što su pokazali praktični pokusi? Izvješće istraživačke skupine pomoći će nam da to saznamo. Ići.
Osnova istraživanja
Prema Dongfangu Zhangu i njegovim kolegama iz DESY-ja (German Electron Synchrotron), koji su razvili mini-akcelerator, ultrabrzi izvori elektrona igraju nevjerojatno važnu ulogu u životu modernog društva. Mnogi od njih pojavljuju se u medicini, razvoju elektronike i znanstvenim istraživanjima. Najveći problem s trenutnim linearnim akceleratorima koji koriste radiofrekventne oscilatore je njihova visoka cijena, složena infrastruktura i impresivna potrošnja energije. A takvi nedostaci uvelike ograničavaju dostupnost takvih tehnologija širem krugu korisnika.
Ovi očiti problemi veliki su poticaj za razvoj uređaja čija veličina i potrošnja energije neće izazvati užas.
Među relativnim novitetima u ovoj industriji su terahercni akceleratori, koji imaju niz “prednosti”:
- Očekuje se da će kratki valovi i kratki impulsi terahercnog zračenja značajno povećati prag slom*, uzrokovan poljem, što će povećati gradijente ubrzanja;
Električni kvar* - naglo povećanje jakosti struje kada se primijeni napon iznad kritičnog.
- prisutnost učinkovitih metoda za generiranje terahercnog zračenja visokog polja omogućuje unutarnju sinkronizaciju između elektrona i pobudnih polja;
- Klasične metode mogu se koristiti za izradu takvih uređaja, ali će njihova cijena, vrijeme proizvodnje i veličina biti znatno smanjeni.
Znanstvenici vjeruju da je njihov teraherc akcelerator milimetarske skale kompromis između konvencionalnih akceleratora koji su trenutno dostupni i mikroakceleratora koji se razvijaju, ali imaju mnoge nedostatke zbog svojih vrlo malih dimenzija.
Istraživači ne poriču da je tehnologija ubrzanja teraherca u razvoju već neko vrijeme. Međutim, prema njihovom mišljenju, još uvijek postoje mnogi aspekti u ovom području koji nisu proučeni, ispitani ili implementirani.
U svom radu, koji danas razmatramo, znanstvenici demonstriraju mogućnosti STEAM-a (segmentirani terahercni akcelerator i manipulator elektrona) - segmentirani terahercni akcelerator i manipulator elektrona. STEAM omogućuje smanjenje duljine elektronskog snopa na trajanje ispod pikosekunde, čime se osigurava femtosekundna kontrola nad fazom ubrzanja.
Bilo je moguće postići polje ubrzanja od 200 MV/m (MV - megavolt), što dovodi do rekordnog terahercnog ubrzanja od > 70 keV (kiloelektronvolta) iz ugrađenog elektronskog snopa s energijom od 55 keV. Na taj su način dobiveni ubrzani elektroni do 125 keV.
Struktura i izvedba uređaja
Slika br. 1: dijagram uređaja koji se proučava.
Slika br. 1-2: a - dijagram razvijene 5-slojne segmentirane strukture, b - omjer izračunate akceleracije i smjera širenja elektrona.
Elektronske zrake (55 keV) generiraju se iz elektronski top* i uvode se u terahercni STEAM-buncher (kompresor zraka), nakon čega prelaze u STEAM-linac (linearni akcelerator*).
Elektronski top* — uređaj za generiranje snopa elektrona potrebne konfiguracije i energije.
Linearni akcelerator* - akcelerator u kojem nabijene čestice prolaze kroz strukturu samo jednom, po čemu se linearni akcelerator razlikuje od cikličkog (npr. LHC).
Oba STEAM uređaja primaju teraherc impulse iz jednog blisko infracrvenog (NIR) lasera, koji također pokreće fotokatodu elektronskog topa, što rezultira unutarnjom sinkronizacijom između elektrona i ubrzavajućih polja. Ultraljubičasti impulsi za fotoemisiju na fotokatodi generiraju se kroz dva uzastopna stupnja GVG* osnovna valna duljina bliske infracrvene svjetlosti. Ovaj proces pretvara laserski puls od 1020 nm prvo u 510 nm, a zatim u 255 nm.
GVG* (optical second harmonic generation) je proces spajanja fotona iste frekvencije tijekom interakcije s nelinearnim materijalom, što dovodi do stvaranja novih fotona s dvostrukom energijom i frekvencijom, kao i upola manjom valnom duljinom.
Ostatak NIR laserske zrake dijeli se na 4 zrake, koje se koriste za generiranje četiri jednociklična terahercna impulsa generiranjem frekvencijskih razlika unutar impulsa.
Dva terahercna impulsa zatim se isporučuju svakom STEAM uređaju kroz simetrične strukture rogova koje usmjeravaju terahercnu energiju u područje interakcije preko smjera širenja elektrona.
Kada elektroni uđu u svaki STEAM uređaj, izloženi su električnim i magnetskim komponentama Lorentzove sile*.
Lorentzova sila* - sila kojom elektromagnetsko polje djeluje na nabijenu česticu.
U ovom slučaju, električno polje je odgovorno za ubrzanje i usporavanje, a magnetsko polje uzrokuje bočne otklone.
Slika #2
Kao što vidimo na slikama 2a и 2b, Unutar svakog STEAM uređaja, terahercne zrake su poprečno podijeljene tankim metalnim pločama u nekoliko slojeva različite debljine, od kojih svaki djeluje kao valovod, prenoseći dio ukupne energije u područje interakcije. Također postoje dielektrične ploče u svakom sloju za usklađivanje vremena dolaska teraherca valna fronta* s frontom elektrona.
Wavefront* - površina do koje je val dospio.
Oba STEAM uređaja rade u električnom načinu rada, odnosno na način da u središtu područja interakcije primjenjuju električno polje i potiskuju magnetsko polje.
U prvom uređaju, elektronima je određeno vrijeme da prođu prijelaz nule* teraherc polje, gdje su vremenski gradijenti električnog polja maksimizirani, a prosječno polje minimizirano.
prijelaz nule* - točka u kojoj nema napetosti.
Ova konfiguracija uzrokuje ubrzanje repa elektronske zrake i usporavanje njegove glave, što rezultira balističkim uzdužnim fokusiranjem (2a и 2s).
U drugom uređaju, sinkronizacija elektronskog i terahercnog zračenja je podešena tako da snop elektrona doživljava samo negativni ciklus terahercnog električnog polja. Ova konfiguracija rezultira neto kontinuiranim ubrzanjem (2b и 2d).
NIR laser je kriogeno hlađeni Yb:YLF sustav koji proizvodi optičke impulse trajanja od 1.2 ps i energije od 50 mJ na valnoj duljini od 1020 nm i brzini ponavljanja od 10 Hz. A terahercni impulsi sa središnjom frekvencijom od 0.29 teraherca (period od 3.44 ps) generiraju se metodom nagnute fronte pulsa.
Za napajanje STEAM-bunchera (beam compressor) korišteno je samo 2 x 50 nJ teraherc energije, a STEAM-linac (linearni akcelerator) je zahtijevao 2 x 15 mJ.
Promjer ulaznog i izlaznog otvora oba STEAM uređaja je 120 mikrona.
Kompresor grede dizajniran je s tri sloja jednake visine (0 mm), koji su opremljeni pločama od taljenog silicijevog dioksida (ϵr = 225) duljine 4.41 i 0.42 mm za kontrolu vremena. Jednake visine slojeva kompresora odražavaju činjenicu da nema ubrzanja (2s).
Ali u linearnom akceleratoru visine su već različite - 0.225, 0.225 i 0.250 mm (+ spojene kvarcne ploče 0.42 i 0.84 mm). Povećanje visine sloja objašnjava povećanje brzine elektrona tijekom ubrzanja.
Znanstvenici napominju da je broj slojeva izravno odgovoran za funkcionalnost svakog od dva uređaja. Postizanje većih stopa ubrzanja, na primjer, zahtijevalo bi više slojeva i različite konfiguracije visine kako bi se optimizirala interakcija.
Rezultati praktičnih pokusa
Prvo, istraživači podsjećaju da je u tradicionalnim radiofrekvencijskim akceleratorima učinak vremenskog opsega ugrađenog elektronskog snopa na svojstva ubrzanog snopa posljedica promjene u električnom polju do kojeg dolazi tijekom interakcije različitih elektrona unutar snopa koji dolazi u različitim vremenima. Stoga se može očekivati da će polja s većim gradijentima i zrake s dužim trajanjem dovesti do većeg širenja energije. Ubrizgane zrake dugog trajanja također mogu dovesti do viših vrijednosti emisije*.
Emitacija* — fazni prostor koji zauzima ubrzani snop nabijenih čestica.
U slučaju terahercnog akceleratora period pobudnog polja je približno 200 puta kraći. Stoga, napetost* podržano polje bit će 10 puta veće.
Jakost električnog polja* - pokazatelj električnog polja, jednak omjeru sile primijenjene na stacionarni točkasti naboj smješten u danoj točki polja na veličinu ovog naboja.
Stoga, u terahercnom akceleratoru, gradijenti polja koje doživljavaju elektroni mogu biti nekoliko redova veličine veći nego u konvencionalnom uređaju. Vremenska skala na kojoj je zakrivljenost polja uočljiva bit će znatno manja. Iz ovoga proizlazi da će trajanje uvedene elektronske zrake imati izraženiji učinak.
Znanstvenici su ove teorije odlučili provjeriti u praksi. Da bi to učinili, uveli su elektronske zrake različitog trajanja, koje su kontrolirane kompresijom pomoću prvog uređaja STEAM (STEAM-buncher).
Slika #3
U slučaju kada kompresor nije bio spojen na izvor energije, snopovi elektrona (55 keV) s nabojem od ~1 fC (femtokulon) prošli su približno 300 mm od elektronskog topa do uređaja za linearni akcelerator (STEAM-linac). Ti bi se elektroni mogli širiti pod utjecajem sila prostornog naboja do trajanja duljeg od 1000 fs (femtosekundi).
U tom je trajanju snop elektrona zauzimao oko 60% poluvalne duljine ubrzavajućeg polja na frekvenciji od 1,7 ps, što je rezultiralo energetskim spektrom nakon ubrzanja s vrhom na 115 keV i poluširinom distribucije energije veći od 60 keV (3a).
Kako bi se ti rezultati usporedili s očekivanim, simulirana je situacija širenja elektrona kroz linearni akcelerator kada elektroni nisu bili sinkronizirani s (tj. izvan sinkronizacije s) optimalnim vremenom ubrizgavanja. Izračuni ove situacije pokazali su da povećanje energije elektrona jako ovisi o trenutku ubrizgavanja, sve do subpikosekundne vremenske skale (3b). To jest, uz optimalnu postavku, elektron će doživjeti puni poluciklus ubrzanja teraherca zračenja u svakom sloju (3s).
Ako elektroni stignu u različito vrijeme, dožive manje ubrzanje u prvom sloju, zbog čega im treba dulje da putuju kroz njega. Desinkronizacija se tada povećava u sljedećim slojevima, uzrokujući neželjeno usporavanje (3d).
Kako bi se smanjio negativni učinak vremenskog produžetka elektronske zrake, prvi STEAM uređaj radio je u kompresijskom načinu rada. Trajanje elektronskog snopa u linac-u optimizirano je na najmanje ~350 fs (polovica širine) ugađanjem terahercne energije koja se dovodi kompresoru i prebacivanjem linac-a u način rada s šrafurama (4b).
Slika #4
Minimalno trajanje snopa postavljeno je u skladu s trajanjem UV pulsa fotokatode, koje je bilo ~600 fs. Udaljenost između kompresora i trake također je igrala važnu ulogu, koja je ograničavala brzinu sile zgušnjavanja. Zajedno, ove mjere omogućuju femtosekundnu preciznost u fazi ubrizgavanja u fazi ubrzanja.
Na slici 4a vidljivo je da se energetsko širenje komprimirane elektronske zrake nakon optimiziranog ubrzanja u linearnom akceleratoru smanjuje za ~ 4 puta u usporedbi s nekomprimiranim. Zbog ubrzanja, energetski spektar komprimirane zrake je pomaknut prema višim energijama, za razliku od nekomprimirane zrake. Vrh energetskog spektra nakon ubrzanja je oko 115 keV, a visokoenergetski rep doseže oko 125 keV.
Ove brojke, prema skromnoj izjavi znanstvenika, novi su rekord ubrzanja (prije ubrzanja bio je 70 keV) u području teraherca.
Ali kako bi se smanjila disperzija energije (4a), mora se postići još kraći snop.
Slika #5
U slučaju nekomprimirane uvedene zrake, parabolična ovisnost veličine zrake o struji otkriva transverzalnu emisiju u vodoravnom i okomitom smjeru: εx,n = 1.703 mm*mrad i εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresija je zauzvrat poboljšala transverzalnu emisiju za 6 puta na εx,n = 0,285 mm*mrad (vodoravno) i εy,n = 0,246 mm*mrad (okomito).
Vrijedno je napomenuti da je stupanj smanjenja emitancije približno dvostruko veći od stupnja smanjenja trajanja snopa, što je mjera nelinearnosti dinamike interakcije s vremenom kada elektroni doživljavaju snažno fokusiranje i defokusiranje magnetskog polja tijekom ubrzanja (5b и 5s).
Na slici 5b Vidljivo je da elektroni uneseni u optimalno vrijeme doživljavaju cijeli poluciklus ubrzanja električnog polja. Ali elektroni koji stignu prije ili nakon optimalnog vremena doživljavaju manje ubrzanje, pa čak i djelomično usporavanje. Takvi elektroni završe s manje energije, grubo govoreći.
Slična situacija se opaža kada je izložena magnetskom polju. Elektroni ubrizgani u optimalno vrijeme doživljavaju simetrične količine pozitivnih i negativnih magnetskih polja. Ako se uvođenje elektrona dogodilo prije optimalnog vremena, tada je bilo više pozitivnih polja, a manje negativnih. Ako se elektroni uvedu kasnije od optimalnog vremena, bit će manje pozitivnih i više negativnih (5s). A takva odstupanja dovode do činjenice da elektron može skrenuti lijevo, desno, gore ili dolje, ovisno o svom položaju u odnosu na os, što dovodi do povećanja poprečnog momenta koji odgovara fokusiranju ili defokusiranju snopa.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate и njemu.
Epilog
Ukratko, učinak akceleratora će se povećati ako se smanji trajanje elektronskog snopa. U ovom radu, moguće trajanje snopa bilo je ograničeno geometrijom instalacije. Ali, u teoriji, trajanje snopa može doseći manje od 100 fs.
Znanstvenici također napominju da se kvaliteta snopa može dodatno poboljšati smanjenjem visine slojeva i povećanjem njihovog broja. Međutim, ova metoda nije bez problema, posebice povećanja složenosti proizvodnje uređaja.
Ovaj rad je početna faza opsežnijeg i detaljnijeg proučavanja minijaturne verzije linearnog akceleratora. Unatoč činjenici da testirana inačica već pokazuje izvrsne rezultate, koji se s pravom mogu nazvati rekordnim, predstoji još puno posla.
Hvala na čitanju, ostanite znatiželjni i želim vam ugodan tjedan! 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih poslužitelja, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com