A „több, annál erősebb” jól ismert elve a társadalom számos szektorában, így a tudományban és a technológiában is régóta meghonosodott. A modern valóságban azonban egyre gyakoribb a „kicsi, de hatalmas” mondás gyakorlati megvalósítása. Ez megnyilvánul mind a korábban egy egész helyiséget elfoglaló, ma már egy gyerek tenyerébe férő számítógépekben, mind pedig a töltött részecskegyorsítókban. Igen, emlékszel a Large Hadron Colliderre (LHC), amelynek lenyűgöző méretei (26 659 m hosszú) szó szerint benne vannak a nevében? Tehát ez már a múlté a DESY tudósai szerint, akik kifejlesztették a gyorsító miniatűr változatát, amely teljesítményében nem rosszabb, mint teljes méretű elődje. Sőt, a mini gyorsító még új világrekordot is felállított a terahertzes gyorsítók között, megduplázva a beágyazott elektronok energiáját. Hogyan fejlesztették ki a miniatűr gyorsítót, mik a működésének alapelvei, mit mutattak ki a gyakorlati kísérletek? Ennek megismerésében a kutatócsoport jelentése segít. Megy.
Kutatási alap
A mini-gyorsítót kifejlesztő Dongfang Zhang és a DESY-nél (német Electron Synchrotron) dolgozó kollégái szerint az ultragyors elektronforrások hihetetlenül fontos szerepet játszanak a modern társadalom életében. Közülük sok megjelenik az orvostudományban, az elektronikai fejlesztésben és a tudományos kutatásban. A rádiófrekvenciás oszcillátorokat használó jelenlegi lineáris gyorsítókkal a legnagyobb probléma a magas költségek, az összetett infrastruktúra és a lenyűgöző energiafogyasztás. Az ilyen hiányosságok pedig nagymértékben korlátozzák az ilyen technológiák elérhetőségét a felhasználók szélesebb köre számára.
Ezek a nyilvánvaló problémák nagy ösztönzést jelentenek olyan eszközök fejlesztésére, amelyek mérete és fogyasztása nem okoz rémületet.
Az iparág viszonylagos újdonságai közé tartoznak a terahertzes gyorsítók, amelyeknek számos „előnyük” van:
- A terahertz sugárzás rövid hullámai és rövid impulzusai várhatóan jelentősen megnövelik a küszöböt bontás*, amelyet a mező okoz, ami növeli a gyorsulási gradienseket;
Elektromos hiba* - az áramerősség éles növekedése kritikus feletti feszültség alkalmazásakor.
- a nagy térerejű terahertz-sugárzás előállítására szolgáló hatékony módszerek jelenléte lehetővé teszi az elektronok és a gerjesztési mezők közötti belső szinkronizálást;
- Klasszikus módszerekkel lehet ilyen eszközöket létrehozni, de ezek költsége, gyártási ideje és mérete jelentősen csökken.
A tudósok úgy vélik, hogy milliméteres léptékű terahertzes gyorsítójuk kompromisszumot jelent a jelenleg elérhető hagyományos gyorsítók és a fejlesztés alatt álló mikrogyorsítók között, amelyek azonban igen kis méretük miatt számos hátránnyal rendelkeznek.
A kutatók nem tagadják, hogy a terahertzes gyorsítási technológia már egy ideje fejlesztés alatt áll. Véleményük szerint azonban ezen a területen még mindig sok olyan szempont van, amelyet nem vizsgáltak, nem teszteltek vagy nem valósítottak meg.
Munkájukban, amelyet ma vizsgálunk, a tudósok bemutatják a STEAM képességeit (szegmentált terahertzes elektrongyorsító és manipulátor) - szegmentált terahertzes elektrongyorsító és manipulátor. A STEAM lehetővé teszi az elektronsugár hosszának a pikoszekundum alatti időtartamra való csökkentését, ezáltal femtoszekundumos szabályozást biztosít a gyorsítási fázis felett.
200 MV/m (MV - megavolt) gyorsulási mezőt sikerült elérni, ami 70 keV energiájú beágyazott elektronnyalábból rekord terahertzes, > 55 keV (kiloelektronvolt) gyorsuláshoz vezet. Ily módon 125 keV-ig gyorsított elektronokat kaptunk.
Eszköz felépítése és megvalósítása
1. számú kép: a vizsgált készülék diagramja.
1-2. számú kép: a - a kialakított 5 rétegű szegmentált szerkezet diagramja, b - a számított gyorsulás és az elektronterjedés irányának aránya.
Elektronnyalábok (55 keV) keletkeznek elektronágyú* és bekerülnek a terahertzes STEAM-buncherbe (sugárkompresszor), majd a STEAM-linacba (lineáris gyorsító*).
elektronpuska* — a szükséges konfigurációjú és energiájú elektronnyaláb létrehozására szolgáló eszköz.
Lineáris gyorsító* - olyan gyorsító, amelyben a töltött részecskék csak egyszer haladnak át a szerkezeten, ami megkülönbözteti a lineáris gyorsítót a ciklikustól (például az LHC).
Mindkét STEAM készülék terahertzes impulzusokat kap egyetlen közeli infravörös (NIR) lézertől, amely az elektronágyú fotokatódját is kilövi, ami belső szinkronizálást eredményez az elektronok és a gyorsuló mezők között. A fotokatódnál a fotoemisszióhoz szükséges ultraibolya impulzusokat két egymást követő szakaszban állítják elő GVG* a közeli infravörös fény alapvető hullámhossza. Ez a folyamat az 1020 nm-es lézerimpulzust először 510 nm-re, majd 255 nm-re alakítja át.
GVG* (optikai második harmonikus generálás) az azonos frekvenciájú fotonok kombinálásának folyamata egy nemlineáris anyaggal való kölcsönhatás során, ami új fotonok képződését eredményezi, amelyek energiája és frekvenciája kétszerese, valamint hullámhossza fele.
A NIR lézersugár fennmaradó része 4 sugárnyalábra van osztva, amelyeket négy egyciklusú terahertzes impulzus generálására használnak impulzuson belüli frekvenciakülönbségek generálásával.
A két terahertz-impulzust ezután az egyes STEAM-eszközökhöz szimmetrikus kürtszerkezeteken keresztül juttatják el, amelyek a terahertz-energiát a kölcsönhatási tartományba irányítják az elektronterjedés irányában.
Amikor az elektronok belépnek az egyes STEAM-eszközökbe, elektromos és mágneses alkatrészek hatásának vannak kitéve Lorentz erők*.
Lorentz erő* - az az erő, amellyel az elektromágneses mező hat egy töltött részecskére.
Ebben az esetben az elektromos tér felelős a gyorsulásért és a lassulásért, a mágneses tér pedig oldalirányú elhajlást okoz.
2. kép
Ahogy a képeken látjuk 2a и 2b, Az egyes STEAM-eszközökön belül a terahertz-nyalábokat vékony fémlemezek keresztirányban több, különböző vastagságú rétegre osztják, amelyek mindegyike hullámvezetőként működik, átadva a teljes energia egy részét a kölcsönhatási tartományba. Minden rétegben dielektromos lemezek is találhatók, amelyek koordinálják a terahertz érkezési idejét hullámfront* az elektronok frontjával.
Hullámfront* - az a felület, amelyre a hullám elért.
Mindkét STEAM eszköz elektromos üzemmódban működik, vagyis úgy, hogy elektromos mezőt hoz létre és elnyomja a mágneses mezőt az interakciós terület közepén.
Az első eszközben az elektronok áthaladását időzítették nulla átkelés* terahertz-es mező, ahol az elektromos tér időgradiensei maximalizálva vannak, az átlagos mező pedig minimális.
Nulla átkelés* - egy pont, ahol nincs feszültség.
Ez a konfiguráció az elektronsugár farka felgyorsul, feje pedig lelassul, ami ballisztikus longitudinális fókuszálást eredményez (2a и 2s).
A második készülékben az elektron és a terahertz sugárzás szinkronizálása úgy van beállítva, hogy az elektronsugár csak a terahertzes elektromos tér negatív ciklusát tapasztalja. Ez a konfiguráció nettó folyamatos gyorsulást eredményez (2b и 2d).
A NIR lézer egy kriogén hűtésű Yb:YLF rendszer, amely 1.2 ps időtartamú és 50 mJ energiájú optikai impulzusokat állít elő 1020 nm hullámhosszon és 10 Hz ismétlési frekvencián. A 0.29 terahertz központi frekvenciájú (3.44 ps periódusú) terahertz impulzusokat pedig a ferde impulzusfront módszerrel állítják elő.
A STEAM-buncher (sugárkompresszor) tápellátásához csak 2 x 50 nJ terahertz energiát használtak, a STEAM-linac (lineáris gyorsító) pedig 2 x 15 mJ-t.
Mindkét STEAM készülék bemeneti és kimeneti nyílásainak átmérője 120 mikron.
A sugárkompresszor három egyenlő magasságú (0 mm) rétegből áll, amelyek 225 és 4.41 mm hosszúságú olvasztott szilícium-dioxid lemezekkel (ϵr = 0.42) vannak felszerelve az időzítés szabályozására. A kompresszorrétegek egyenlő magassága azt a tényt tükrözi, hogy nincs gyorsulás (2s).
De a lineáris gyorsítóban a magasságok már eltérőek - 0.225, 0.225 és 0.250 mm (+ olvasztott kvarclemezek 0.42 és 0.84 mm). A réteg magasságának növekedése magyarázza az elektronok sebességének növekedését a gyorsítás során.
A tudósok megjegyzik, hogy a rétegek száma közvetlenül felelős a két eszköz működéséért. A nagyobb gyorsulás eléréséhez például több rétegre és különböző magasságú konfigurációkra lenne szükség az interakció optimalizálásához.
Gyakorlati kísérletek eredményei
A kutatók először is emlékeztetnek arra, hogy a hagyományos rádiófrekvenciás gyorsítókban a beágyazott elektronnyaláb időbeli kiterjedésének hatása a gyorsított nyaláb tulajdonságaira a különböző elektronok kölcsönhatása során tapasztalható elektromos tér változásának tulajdonítható. különböző időpontokban. Így várható, hogy a nagyobb gradiensű mezők és a hosszabb időtartamú nyalábok nagyobb energiaszórást eredményeznek. A hosszú időtartamú befecskendezett sugarak magasabb értékekhez is vezethetnek kibocsátások*.
Emisszió* — a töltött részecskék gyorsított nyalábja által elfoglalt fázistér.
A terahertzes gyorsító esetében a gerjesztőtér periódusa hozzávetőlegesen 200-szor rövidebb. Ennélfogva, feszültség* a támogatott mező 10-szerese lesz.
Elektromos térerősség* - az elektromos tér mutatója, amely egyenlő a mező egy adott pontjában elhelyezett állóponti töltésre kifejtett erő és a töltés nagyságának arányával.
Így egy terahertzes gyorsítóban az elektronok által tapasztalt térgradiensek több nagyságrenddel is nagyobbak lehetnek, mint egy hagyományos eszközben. Az időskála, amelyen a mező görbülete észrevehető, lényegesen kisebb lesz. Ebből az következik, hogy a bevezetett elektronsugár időtartamának kifejezettebb hatása lesz.
A tudósok úgy döntöttek, hogy ezeket az elméleteket a gyakorlatban is tesztelik. Ennek érdekében különböző időtartamú elektronnyalábokat vezettek be, amelyeket az első STEAM-eszköz (STEAM-buncher) segítségével kompresszióval vezéreltek.
3. kép
Abban az esetben, ha a kompresszor nem volt áramforráshoz csatlakoztatva, az elektronsugarak (55 keV) ~1 fC (femtocoulomb) töltéssel körülbelül 300 mm-re haladtak át az elektronágyútól a lineáris gyorsítóeszközig (STEAM-linac). Ezek az elektronok a tértöltési erők hatására 1000 fs-nál (femtoszekundumnál) hosszabb ideig tágulhatnak.
Ennél az időtartamnál az elektronnyaláb a gyorsítótér félhullámhosszának körülbelül 60%-át foglalta el 1,7 ps frekvencián, ami egy gyorsulás utáni energiaspektrumot eredményezett, amelynek csúcsa 115 keV-nál és az energiaeloszlás fele. nagyobb, mint 60 keV (3a).
Ezen eredmények és a várt eredmények összehasonlítása érdekében az elektronok lineáris gyorsítón keresztüli terjedésének helyzetét szimuláltuk, amikor az elektronok nem voltak szinkronban (vagyis nincsenek szinkronban) az optimális befecskendezési idővel. Ennek a helyzetnek a számításai azt mutatták, hogy az elektronenergia növekedése nagyon függ az injektálás pillanatától, egészen egy szubpikoszekundumos időskáláig (3b). Azaz optimális beállítás mellett az elektron teljes félciklusú terahertzes sugárzási gyorsulást fog tapasztalni minden rétegben (3s).
Ha az elektronok különböző időpontokban érkeznek, akkor az első rétegben kisebb gyorsulást tapasztalnak, ami miatt tovább tart az áthaladásuk. A deszinkronizálás a következő rétegekben növekszik, nem kívánt lassulást okozva (3d).
Az elektronnyaláb időbeli kiterjedésének negatív hatásának minimalizálása érdekében az első STEAM készülék kompressziós üzemmódban működött. Az elektronnyaláb időtartamát a linacnál minimum ~350 fs-ra (félszélességre) optimalizáltuk a kompresszornak szállított terahertzes energia hangolásával és a linac sraffozás módba kapcsolásával (4b).
4. kép
A minimális sugár időtartamát a fotokatód UV impulzus időtartamának megfelelően állítottuk be, ami ~600 fs volt. A kompresszor és a szalag távolsága is fontos szerepet játszott, ami korlátozta a sűrítő erő sebességét. Ezek az intézkedések együttesen femtoszekundumos pontosságot tesznek lehetővé a gyorsítási fázis befecskendezési fázisában.
A képen 4a látható, hogy a sűrített elektronnyaláb energiaszórása optimalizált gyorsítás után lineáris gyorsítóban ~ 4-szeresére csökken a tömörítetlenhez képest. A gyorsulás miatt az összenyomott nyaláb energiaspektruma a nagyobb energiák felé tolódik el, ellentétben a tömörítetlen sugárral. Az energiaspektrum csúcsa a gyorsulás után körülbelül 115 keV, a nagyenergiájú farok pedig körülbelül 125 keV.
Ezek az adatok a tudósok szerény állítása szerint új gyorsulási rekordot jelentenek (a gyorsulás előtt 70 keV volt) a terahertzes tartományban.
De az energiadiszperzió csökkentése érdekében4a), még rövidebb sugarat kell elérni.
5. kép
Sűrítetlen bevezetett nyaláb esetén a nyaláb méretének parabolikus függése az áramerősségtől megmutatja a keresztirányú emittanciát vízszintes és függőleges irányban: εx,n = 1.703 mm*mrad és εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
A tömörítés viszont hatszorosára javította a keresztirányú emittanciát εx,n = 6 mm*mrad (vízszintes) és εy,n = 0,285 mm*mrad (függőleges) értékre.
Érdemes megjegyezni, hogy az emisszió csökkenés mértéke körülbelül kétszer akkora, mint a sugár időtartamának csökkenése, amely a kölcsönhatási dinamika nemlinearitásának mértéke az idő függvényében, amikor az elektronok erős fókuszálást és a mágneses tér defókuszálását tapasztalják a gyorsítás során (5b и 5s).
A képen 5b Látható, hogy az optimális időpontban bejuttatott elektronok az elektromos térgyorsulás teljes félciklusát átélik. De az optimális idő előtt vagy után érkező elektronok kisebb gyorsulást, sőt részleges lassulást tapasztalnak. Az ilyen elektronok durván szólva kevesebb energiával rendelkeznek.
Hasonló helyzet figyelhető meg mágneses tér hatására. Az optimális időben beinjektált elektronok szimmetrikus mennyiségű pozitív és negatív mágneses mezőt tapasztalnak. Ha az elektronok bejutása az optimális idő előtt történt, akkor több volt a pozitív mező és kevesebb a negatív. Ha az elektronokat az optimális időnél később vezetik be, kevesebb pozitív és több negatív lesz (5s). És az ilyen eltérések ahhoz a tényhez vezetnek, hogy az elektron eltérhet balra, jobbra, felfelé vagy lefelé, a tengelyhez viszonyított helyzetétől függően, ami a sugár fókuszálásának vagy defókuszálásának megfelelő keresztirányú impulzus növekedéséhez vezet.
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg и neki.
Epilógus
Összefoglalva, a gyorsító teljesítménye nő, ha az elektronsugár időtartamát csökkentjük. Ebben a munkában az elérhető sugár időtartamát az installáció geometriája korlátozta. De elméletileg a sugár időtartama kevesebb, mint 100 fs.
A tudósok azt is megjegyzik, hogy a sugár minősége tovább javítható a rétegek magasságának csökkentésével és számuk növelésével. Ez a módszer azonban nem problémamentes, különösen növeli az eszköz gyártásának bonyolultságát.
Ez a munka a lineáris gyorsító miniatűr változatának kiterjedtebb és részletesebb tanulmányozásának kezdeti szakasza. Annak ellenére, hogy a tesztelt verzió már most is kiváló eredményeket mutat, ami méltán nevezhető rekordnak, még mindig sok a munka.
Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak és szép hetet mindenkinek! 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, 30% kedvezmény a Habr felhasználóknak a belépő szintű szerverek egyedülálló analógjára, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
Dell R730xd kétszer olcsóbb? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com