Prensip abitye nan "plis se pi pwisan" depi lontan te etabli nan anpil sektè nan sosyete a, ki gen ladan syans ak teknoloji. Sepandan, nan reyalite modèn, aplikasyon an pratik nan di "ti, men vanyan sòlda" ap vin pi plis ak plis komen. Sa a se manifeste tou de nan òdinatè, ki te deja pran moute yon chanm antye, men kounye a anfòm nan palmis la nan yon timoun, ak nan akseleratè patikil chaje. Wi, sonje Large Hadron Collider (LHC), ki gen dimansyon enpresyonan (26 m nan longè) literalman endike nan non li? Se konsa, sa a se deja yon bagay nan tan lontan an dapre syantis ki soti nan DESY, ki te devlope yon vèsyon miniature nan akseleratè a, ki pa enferyè nan pèfòmans nan predesesè plen gwosè li yo. Anplis, mini akseleratè a menm mete yon nouvo rekò mondyal nan mitan akseleratè terahertz, double enèji nan elektwon yo entegre. Ki jan akseleratè tipòtrè a te devlope, ki prensip debaz yo nan operasyon li yo, e ki sa eksperyans pratik yo montre? Rapò gwoup rechèch la ap ede nou jwenn enfòmasyon sou sa. Ale.
Rechèch baz
Dapre Dongfang Zhang ak kòlèg li yo nan DESY (Alman Electron Synchrotron), ki te devlope mini-akseleratè a, sous elèktron ultrarapid jwe yon wòl ekstrèmman enpòtan nan lavi a nan sosyete modèn. Anpil nan yo parèt nan medikaman, devlopman elektwonik ak rechèch syantifik. Pwoblèm nan pi gwo ak akseleratè lineyè aktyèl lè l sèvi avèk osilateur frekans radyo se pri segondè yo, enfrastrikti konplèks, ak konsomasyon pouvwa enpresyonan. Ak enpèfeksyon sa yo anpil limite disponiblite teknoloji sa yo nan yon pakèt itilizatè yo.
Pwoblèm evidan sa yo se yon gwo ankourajman pou devlope aparèy ki gen gwosè ak konsomasyon pouvwa pa pral lakòz laterè.
Pami nouvote relatif yo nan endistri sa a gen akseleratè terahertz, ki gen yon kantite "benefis":
- Li espere ke vag kout ak pulsasyon kout nan radyasyon terahertz pral siyifikativman ogmante papòt la kraze*, ki te koze pa jaden an, ki pral ogmante gradyan akselerasyon;
Pann elektrik* - yon ogmantasyon byen file nan fòs aktyèl lè yo aplike yon vòltaj pi wo a kritik.
- prezans nan metòd efikas pou jenere radyasyon terahertz gwo jaden pèmèt pou senkronizasyon entèn ant elektwon ak jaden eksitasyon;
- Metòd klasik yo ka itilize pou kreye aparèy sa yo, men pri yo, tan pwodiksyon ak gwosè yo pral redwi anpil.
Syantis yo kwè ke akseleratè terahertz nan echèl milimèt yo se yon konpwomi ant akseleratè konvansyonèl ki disponib kounye a ak mikwo-akseleratè yo ap devlope, men ki gen anpil dezavantaj akòz dimansyon piti anpil yo.
Chèchè yo pa nye ke teknoloji akselerasyon terahertz te nan devlopman depi kèk tan. Sepandan, nan opinyon yo, toujou gen anpil aspè nan domèn sa a ki pa te etidye, teste oswa aplike.
Nan travay yo, ke nou ap konsidere jodi a, syantis yo demontre kapasite yo nan STEAM (akseleratè elèktron terahertz segmenté ak manipilatè) - yon akseleratè elèktron terahertz segmenté ak manipulateur. STEAM fè li posib pou redwi longè gwo bout bwa elèktron pou dire sub-picosecond, kidonk bay kontwòl femtosecond sou faz akselerasyon an.
Li te posib reyalize yon jaden akselerasyon 200 MV / m (MV - megavolt), ki mennen nan yon akselerasyon terahertz dosye ki > 70 keV (kiloelectronvolt) soti nan gwo bout bwa a elèktron entegre ak yon enèji nan 55 keV. Nan fason sa a, yo te jwenn elektwon akselere jiska 125 keV.
Estrikti aparèy ak aplikasyon
Imaj nimewo 1: dyagram nan aparèy la anba etid.
Imaj Tèb 1-2: a - dyagram nan devlope 5-kouch estrikti segmenté, b - rapò akselerasyon an kalkile ak direksyon pwopagasyon elèktron.
Travès elèktron (55 keV) yo pwodwi nan zam elèktron* epi yo prezante nan terahertz STEAM-buncher (konpresè gwo bout bwa), apre sa yo pase nan STEAM-linac la (akseleratè lineyè*).
zam elèktron* — yon aparèy pou jenere yon gwo bout bwa nan elektwon nan konfigirasyon ki nesesè yo ak enèji.
Akseleratè lineyè* - yon akseleratè kote patikil chaje yo pase nan estrikti a sèlman yon fwa, ki fè distenksyon ant yon akseleratè lineyè ak yon siklik (pa egzanp, LHC).
Tou de aparèy STEAM resevwa pulsasyon terahertz nan yon sèl lazè tou pre-enfrawouj (NIR), ki tou tire fotokatòd zam elèktron a, sa ki lakòz senkronizasyon entèn ant elektwon ak akselere jaden. Puls iltravyolèt pou fotoemisyon nan fotokatòd la pwodui atravè de etap siksesif GVG* longèdonn fondamantal limyè tou pre-enfrawouj. Pwosesis sa a konvèti yon batman lazè 1020 nm premye nan 510 nm ak Lè sa a, nan 255 nm.
GVG* (optik dezyèm jenerasyon Harmony) se pwosesis la nan konbine foton nan menm frekans pandan entèraksyon ak yon materyèl ki pa lineyè, ki mennen nan fòmasyon nan nouvo foton ak doub enèji a ak frekans, osi byen ke mwatye longèdonn la.
Rès gwo bout bwa lazè NIR divize an 4 travès, ki itilize pou jenere kat pulsasyon terahertz yon sèl sik pa jenere diferans frekans entra-puls.
Lè sa a, de pulsasyon terahertz yo delivre nan chak aparèy STEAM atravè estrikti kòn simetrik ki dirije enèji terahertz la nan rejyon an entèraksyon atravè direksyon pwopagasyon elèktron.
Lè elektwon antre nan chak aparèy STEAM, yo ekspoze a eleman elektrik ak mayetik Fòs Lorentz*.
Lorentz fòs* - fòs ak ki jaden elektwomayetik la aji sou yon patikil chaje.
Nan ka sa a, jaden elektrik la responsab pou akselerasyon ak ralantisman, ak jaden mayetik la lakòz devyasyon lateral.
Imaj #2
Jan nou wè nan imaj yo 2a и 2b, Anndan chak aparèy STEAM, travès yo terahertz yo divize transversalman pa fèy metal mens nan plizyè kouch ki varye epesè, chak nan yo ki aji kòm yon gid ond, transfere yon pati nan enèji total la nan rejyon an entèraksyon. Genyen tou plak dyelèktrik nan chak kouch pou kowòdone tan arive nan terahertz la vag devan* ak devan elektwon.
Wavefront* - sifas kote vag la te rive.
Tou de aparèy STEAM opere nan mòd elektrik, se sa ki, nan yon fason ke enpoze yon jaden elektrik ak siprime yon jaden mayetik nan sant la nan zòn nan entèraksyon.
Nan premye aparèy la, elektwon yo kwonometre yo pase nan travèse zewo* jaden terahertz, kote gradyan tan nan jaden elektrik la maksimize ak jaden an mwayèn minimize.
Zewo travèse* - yon pwen kote pa gen tansyon.
Konfigirasyon sa a lakòz ke gwo bout bwa elèktron la akselere ak tèt li ralanti, sa ki lakòz konsantrasyon balistik longitudinal (2a и 2s).
Nan dezyèm aparèy la, senkronizasyon radyasyon elèktron ak terahertz la fikse pou gwo bout bwa a elèktron fè eksperyans sèlman yon sik negatif nan jaden elektrik terahertz la. Konfigirasyon sa a lakòz yon akselerasyon nèt kontinyèl (2b и 2d).
Lazè NIR a se yon sistèm Yb:YLF ki refwadi kriyojenik ki pwodui pulsasyon optik ki dire 1.2 ps ak enèji 50 mJ nan yon longèdonn 1020 nm ak yon pousantaj repetisyon 10 Hz. Ak pulsasyon terahertz ak yon frekans santral 0.29 terahertz (peryòd 3.44 ps) yo pwodwi pa metòd la devan batman kè enkline.
Pou pouvwa STEAM-buncher (konpresè gwo bout bwa) sèlman 2 x 50 nJ nan enèji terahertz yo te itilize, ak STEAM-linac a (akseleratè lineyè) te mande 2 x 15 mJ.
Dyamèt twou inlet ak priz tou de aparèy STEAM se 120 mikron.
Se COMPRESSOR nan gwo bout bwa ki fèt ak twa kouch nan wotè egal (0 mm), ki yo ekipe ak plak silica fusion (ϵr = 225) nan longè 4.41 ak 0.42 mm kontwole distribisyon. Wotè egal nan kouch COMPRESSOR yo reflete lefèt ke pa gen okenn akselerasyon (2s).
Men, nan akseleratè lineyè a wotè yo deja diferan - 0.225, 0.225 ak 0.250 mm (+ plak kwatz fusion 0.42 ak 0.84 mm). Yon ogmantasyon nan wotè kouch la eksplike ogmantasyon nan vitès elektwon yo pandan akselerasyon.
Syantis yo note ke kantite kouch ki responsab dirèkteman pou fonksyonalite chak nan de aparèy yo. Reyalizasyon pi gwo pousantaj akselerasyon, pou egzanp, ta mande plis kouch ak konfigirasyon wotè diferan pou optimize entèraksyon.
Rezilta eksperyans pratik
Premyèman, chèchè yo raple ke nan akseleratè frekans radyo tradisyonèl yo, efè limit tanporèl nan gwo bout bwa elèktron entegre sou pwopriyete yo nan gwo bout bwa a akselere se akòz chanjman nan jaden elektrik ki gen eksperyans pandan entèraksyon an nan elektwon diferan nan gwo bout bwa a rive. nan diferan moman. Kidonk, li ka espere ke jaden ki gen pi wo gradyan ak travès ki gen pi long dire pral mennen nan yon gaye enèji pi gwo. Travès enjekte ki dire lontan ka mennen tou nan pi wo valè emisyon*.
Emisyon* — espas faz okipe pa yon gwo bout bwa akselere nan patikil chaje.
Nan ka yon akseleratè terahertz, peryòd la nan jaden an eksitasyon se apeprè 200 fwa pi kout. Pakonsekan, tansyon* jaden an sipòte yo pral 10 fwa pi wo.
Fòs jaden elektrik* - yon endikatè nan jaden elektrik la, ki egal a rapò a nan fòs la aplike nan yon chaj pwen estasyonè mete nan yon pwen bay nan jaden an ak grandè chaj sa a.
Kidonk, nan yon akseleratè terahertz, gradyan jaden yo fè eksperyans pa elektwon yo ka plizyè lòd nan grandè pi wo pase nan yon aparèy konvansyonèl. Echèl tan sou ki koub jaden an se aparan pral siyifikativman pi piti. Sa a soti nan sa a ki dire a nan gwo bout bwa a elèktron prezante pral gen yon efè pi pwononse.
Syantis yo deside teste teyori sa yo an pratik. Pou fè sa, yo te entwodwi reyon elèktron ki gen diferan dire, ki te kontwole pa konpresyon lè l sèvi avèk premye aparèy STEAM (STEAM-buncher).
Imaj #3
Nan ka a kote COMPRESSOR a pa te konekte ak yon sous pouvwa, travès nan elektwon (55 keV) ak yon chaj nan ~ 1 fC (femtocoulomb) te pase apeprè 300 mm soti nan zam elèktron nan aparèy la akseleratè lineyè (STEAM-linac). Elektwon sa yo ka elaji anba enfliyans fòs chaj espas jiska yon dire plis pase 1000 fs (femtoseconds).
Nan dire sa a, gwo bout bwa a elèktron okipe apeprè 60% mwatye longèdonn jaden an akselere nan yon frekans 1,7 ps, sa ki lakòz yon spectre enèji apre akselerasyon ak yon pik nan 115 keV ak yon mwatye lajè distribisyon enèji. pi gran pase 60 keV (3a).
Pou konpare rezilta sa yo ak sa yo espere, sitiyasyon pwopagasyon elèktron atravè yon akseleratè lineyè te simulation lè elektwon yo te soti nan senkronizasyon ak (sa vle di, soti nan senkronizasyon ak) tan an piki pi bon. Kalkil sitiyasyon sa a te montre ke ogmantasyon nan enèji elèktron depann anpil de moman piki a, desann nan yon echèl tan subpicosecond (3b). Sa vle di, ak yon anviwònman optimal, elèktron a pral fè eksperyans yon mwatye sik plen akselerasyon radyasyon terahertz nan chak kouch (3s).
Si elektwon yo rive nan diferan moman, yo fè eksperyans mwens akselerasyon nan premye kouch la, ki fè yo pran plis tan pou vwayaje atravè li. Lè sa a, dezinkronizasyon an ogmante nan kouch sa yo, sa ki lakòz ralentissement endezirab (3d).
Yo nan lòd yo minimize efè negatif ekstansyon tanporèl gwo bout bwa elèktron, premye aparèy STEAM te opere nan mòd konpresyon. Dire gwo bout bwa elèktron nan linac la te optimize nan yon minimòm de ~ 350 fs (mwatye lajè) lè yo ajiste enèji terahertz yo bay COMPRESSOR a epi chanje linac nan mòd kale (4b).
Imaj #4
Dire minimòm gwo bout bwa a te fikse an akò ak dire fotocathode UV pulsasyon an, ki te ~ 600 fs. Distans ki genyen ant COMPRESSOR a ak teren an tou te jwe yon wòl enpòtan, ki limite vitès la nan fòs la epesman. Ansanm, mezi sa yo pèmèt presizyon femtosecond nan faz piki faz akselerasyon an.
Sou imaj la 4a li ka wè ke gaye enèji nan gwo bout bwa a elèktron konprese apre akselerasyon optimize nan yon akseleratè lineyè diminye pa ~ 4 fwa konpare ak yon sèl la dekonprese. Akòz akselerasyon, spectre enèji nan gwo bout bwa a konprese se deplase nan direksyon pou enèji ki pi wo, nan kontra ak gwo bout bwa a dekonprese. Somè a nan spectre enèji a apre akselerasyon se sou 115 keV, ak ke nan gwo enèji rive sou 125 keV.
Chif sa yo, dapre deklarasyon modès syantis yo, se yon nouvo dosye akselerasyon (anvan akselerasyon li te 70 keV) nan seri terahertz la.
Men, yo nan lòd yo diminye dispèsyon enèji (4a), yon gwo bout bwa menm pi kout dwe reyalize.
Imaj #5
Nan ka yon gwo bout bwa entwodwi san konprese, depandans parabolik gwosè gwo bout bwa a sou aktyèl la revele emisyon transverse nan direksyon orizontal ak vètikal: εx,n = 1.703 mm * mrad ak εy,n = 1.491 mm * mrad (5a).
Konpresyon, nan vire, amelyore emisyon transverse a pa 6 fwa nan εx,n = 0,285 mm * mrad (orizontal) ak εy,n = 0,246 mm * mrad (vètikal).
Li se vo anyen ke degre nan rediksyon emisyon se apeprè de fwa pi gwo ke degre nan rediksyon dire gwo bout bwa, ki se yon mezi nonlinearite nan dinamik entèraksyon an ak tan lè elektwon yo fè eksperyans fò konsantre ak defocusing nan jaden an mayetik pandan akselerasyon (5b и 5s).
Sou imaj la 5b Li ka wè ke elektwon prezante nan tan an pi bon eksperyans tout mwatye sik la nan akselerasyon jaden elektrik la. Men, elektwon ki rive anvan oswa apre tan an pi bon fè eksperyans mwens akselerasyon e menm ralantisman pasyèl. Elektwon sa yo fini ak mwens enèji, apeprè pale.
Yon sitiyasyon ki sanble obsève lè ekspoze a yon jaden mayetik. Elektwon yo enjekte nan tan ki pi bon yo fè eksperyans kantite simetrik nan chan mayetik pozitif ak negatif. Si entwodiksyon elektwon yo te fèt anvan lè pi bon an, Lè sa a, te gen plis jaden pozitif ak mwens negatif. Si elektwon yo prezante pi ta pase tan pi bon an, pral gen mwens pozitif ak plis negatif (5s). Ak devyasyon sa yo mennen nan lefèt ke elèktron a ka devye sou bò gòch la, dwa, moute oswa desann, tou depann de pozisyon li an parapò ak aks la, ki mennen nan yon ogmantasyon nan momantòm nan transverse ki koresponn ak konsantre oswa defocusing nan gwo bout bwa a.
Pou yon konesans pi detaye ak nuans etid la, mwen rekòmande gade и pou li.
Épilogue
An rezime, pèfòmans akseleratè a ap ogmante si dire a nan gwo bout bwa elèktron redwi. Nan travay sa a, dire gwo bout bwa ki ka reyalize te limite pa jeyometri enstalasyon an. Men, nan teyori, dire gwo bout bwa a ka rive nan mwens pase 100 fs.
Syantis yo note tou ke bon jan kalite a nan gwo bout bwa a ka amelyore plis pa diminye wotè nan kouch yo ak ogmante kantite yo. Sepandan, metòd sa a se pa san pwoblèm, an patikilye ogmante konpleksite nan fabrikasyon aparèy la.
Travay sa a se etap inisyal la nan yon etid pi vaste ak detaye sou yon vèsyon miniature nan yon akseleratè lineyè. Malgre lefèt ke vèsyon an teste deja montre rezilta ekselan, ki ka jis rele dosye-kraze, toujou gen anpil travay pou fè.
Mèsi pou atansyon ou, rete kirye epi pase yon bon semèn tout moun! 🙂
Mèsi paske w rete avèk nou. Ou renmen atik nou yo? Vle wè plis kontni enteresan? Sipòte nou pa mete yon lòd oswa rekòmande pou zanmi, 30% rabè pou itilizatè Habr sou yon analòg inik nan sèvè nivo antre, ki te envante pa nou pou ou: (disponib ak RAID1 ak RAID10, jiska 24 nwayo ak jiska 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 fwa pi bon mache? Sèlman isit la nan Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - soti nan $ 99! Li sou
Sous: www.habr.com