Prinsip umum “lebih banyak, lebih kuat” telah lama diterapkan di banyak sektor masyarakat, termasuk ilmu pengetahuan dan teknologi. Namun, dalam realitas modern, penerapan praktis dari pepatah “kecil, tapi perkasa” menjadi semakin umum. Hal ini terwujud baik dalam komputer, yang sebelumnya menempati seluruh ruangan, namun kini pas di telapak tangan anak-anak, maupun dalam akselerator partikel bermuatan. Ya, ingat Large Hadron Collider (LHC), yang dimensinya mengesankan (panjang 26 m) sesuai dengan namanya? Jadi, hal ini sudah menjadi masa lalu menurut para ilmuwan dari DESY, yang telah mengembangkan versi miniatur akselerator, yang performanya tidak kalah dengan pendahulunya yang berukuran penuh. Selain itu, akselerator mini bahkan mencetak rekor dunia baru di antara akselerator terahertz, menggandakan energi elektron yang tertanam. Bagaimana akselerator mini dikembangkan, apa prinsip dasar pengoperasiannya, dan apa yang ditunjukkan oleh eksperimen praktis? Laporan kelompok penelitian akan membantu kita mengetahui hal ini. Pergi.
Dasar penelitian
Menurut Dongfang Zhang dan rekan-rekannya di DESY (German Electron Synchrotron), yang mengembangkan akselerator mini, sumber elektron ultracepat memainkan peran yang sangat penting dalam kehidupan masyarakat modern. Banyak di antaranya muncul di bidang kedokteran, pengembangan elektronik, dan penelitian ilmiah. Masalah terbesar dengan akselerator linier saat ini yang menggunakan osilator frekuensi radio adalah biayanya yang tinggi, infrastruktur yang kompleks, dan konsumsi daya yang besar. Dan kekurangan tersebut sangat membatasi ketersediaan teknologi tersebut untuk lebih banyak pengguna.
Masalah nyata ini merupakan insentif besar untuk mengembangkan perangkat yang ukuran dan konsumsi dayanya tidak menimbulkan kengerian.
Di antara hal-hal baru dalam industri ini adalah akselerator terahertz, yang memiliki sejumlah “keuntungan”:
- Gelombang pendek dan gelombang pendek radiasi terahertz diperkirakan akan meningkatkan ambang batas secara signifikan perincian*, disebabkan oleh medan, yang akan meningkatkan gradien percepatan;
Kerusakan listrik* - peningkatan tajam dalam kekuatan arus ketika tegangan diterapkan di atas kritis.
- kehadiran metode yang efektif untuk menghasilkan radiasi terahertz medan tinggi memungkinkan terjadinya sinkronisasi internal antara elektron dan medan eksitasi;
- Metode klasik dapat digunakan untuk membuat perangkat tersebut, namun biaya, waktu produksi dan ukurannya akan sangat berkurang.
Para ilmuwan percaya bahwa akselerator terahertz skala milimeter yang mereka buat merupakan kompromi antara akselerator konvensional yang tersedia saat ini dan akselerator mikro yang sedang dikembangkan, namun memiliki banyak kelemahan karena dimensinya yang sangat kecil.
Para peneliti tidak memungkiri bahwa teknologi akselerasi terahertz telah dikembangkan sejak lama. Namun menurut mereka, masih banyak aspek di bidang ini yang belum dipelajari, diuji atau diterapkan.
Dalam pekerjaan mereka, yang sedang kita pertimbangkan hari ini, para ilmuwan menunjukkan kemampuan STEAM (akselerator dan manipulator elektron terahertz tersegmentasi) - akselerator dan manipulator elektron terahertz tersegmentasi. STEAM memungkinkan pengurangan panjang berkas elektron hingga durasi sub-pikodetik, sehingga memberikan kontrol femtodetik pada fase akselerasi.
Medan percepatan sebesar 200 MV/m (MV - megavolt) dapat dicapai, yang menghasilkan rekor percepatan terahertz > 70 keV (kiloelektronvolt) dari berkas elektron tertanam dengan energi 55 keV. Dengan cara ini, diperoleh elektron yang dipercepat hingga 125 keV.
Struktur dan implementasi perangkat
Gambar No. 1: diagram perangkat yang diteliti.
Gambar No. 1-2: a - diagram struktur tersegmentasi 5 lapisan yang dikembangkan, b - rasio percepatan yang dihitung dan arah rambat elektron.
Berkas elektron (55 keV) dihasilkan dari senjata elektron* dan dimasukkan ke dalam STEAM-buncher (kompresor sinar) terahertz, setelah itu diteruskan ke STEAM-linac (akselerator linier*).
Pistol elektron* — alat untuk menghasilkan berkas elektron dengan konfigurasi dan energi yang diperlukan.
Akselerator linier* - akselerator di mana partikel bermuatan melewati struktur hanya sekali, yang membedakan akselerator linier dari akselerator siklik (misalnya, LHC).
Kedua perangkat STEAM menerima pulsa terahertz dari laser inframerah-dekat (NIR) tunggal, yang juga menembakkan fotokatoda senjata elektron, menghasilkan sinkronisasi internal antara elektron dan percepatan medan. Pulsa ultraviolet untuk fotoemisi di fotokatoda dihasilkan melalui dua tahap yang berurutan GVG* panjang gelombang dasar cahaya inframerah-dekat. Proses ini mengubah pulsa laser 1020 nm terlebih dahulu menjadi 510 nm dan kemudian menjadi 255 nm.
GVG* (generasi harmonik optik kedua) adalah proses menggabungkan foton dengan frekuensi yang sama selama interaksi dengan bahan nonlinier, yang mengarah pada pembentukan foton baru dengan energi dan frekuensi dua kali lipat, serta setengah panjang gelombang.
Sisa sinar laser NIR dibagi menjadi 4 sinar, yang digunakan untuk menghasilkan empat pulsa terahertz siklus tunggal dengan menghasilkan perbedaan frekuensi intra-pulsa.
Kedua pulsa terahertz kemudian dikirimkan ke setiap perangkat STEAM melalui struktur tanduk simetris yang mengarahkan energi terahertz ke wilayah interaksi melintasi arah rambat elektron.
Ketika elektron memasuki setiap perangkat STEAM, mereka terkena komponen listrik dan magnet Pasukan Lorentz*.
Gaya Lorentz* - kekuatan medan elektromagnetik yang bekerja pada partikel bermuatan.
Dalam hal ini, medan listrik bertanggung jawab atas percepatan dan perlambatan, dan medan magnet menyebabkan defleksi lateral.
Gambar #2
Seperti yang kita lihat pada gambar 2a и 2b, Di dalam setiap perangkat STEAM, berkas terahertz dibagi secara melintang oleh lembaran logam tipis menjadi beberapa lapisan dengan ketebalan yang bervariasi, yang masing-masing bertindak sebagai pemandu gelombang, mentransfer sebagian energi total ke wilayah interaksi. Terdapat juga pelat dielektrik di setiap lapisan untuk mengoordinasikan waktu kedatangan terahertz muka gelombang* dengan bagian depan elektron.
Muka gelombang* - permukaan tempat gelombang mencapai.
Kedua perangkat STEAM beroperasi dalam mode kelistrikan, yaitu sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan listrik dan menekan medan magnet di tengah area interaksi.
Pada perangkat pertama, elektron diatur waktunya untuk melewatinya persimpangan nol* medan terahertz, dimana gradien waktu medan listrik dimaksimalkan dan medan rata-rata diminimalkan.
Persimpangan nol* - titik di mana tidak ada ketegangan.
Konfigurasi ini menyebabkan ekor berkas elektron mengalami percepatan dan kepalanya melambat, sehingga menghasilkan pemfokusan longitudinal balistik (2a и 2s).
Pada perangkat kedua, sinkronisasi elektron dan radiasi terahertz diatur sehingga berkas elektron hanya mengalami siklus negatif medan listrik terahertz. Konfigurasi ini menghasilkan percepatan kontinu bersih (2b и 2d).
Laser NIR adalah sistem Yb:YLF yang didinginkan secara kriogenik yang menghasilkan pulsa optik dengan durasi 1.2 ps dan energi 50 mJ pada panjang gelombang 1020 nm dan tingkat pengulangan 10 Hz. Dan pulsa terahertz dengan frekuensi sentral 0.29 terahertz (periode 3.44 ps) dihasilkan dengan metode muka pulsa miring.
Untuk menyalakan STEAM-buncher (kompresor berkas) hanya digunakan energi terahertz 2 x 50 nJ, dan STEAM-linac (akselerator linier) membutuhkan 2 x 15 mJ.
Diameter lubang inlet dan outlet kedua perangkat STEAM adalah 120 mikron.
Kompresor sinar dirancang dengan tiga lapisan dengan tinggi yang sama (0 mm), yang dilengkapi dengan pelat silika leburan (ϵr = 225) dengan panjang 4.41 dan 0.42 mm untuk mengontrol waktu. Ketinggian lapisan kompresor yang sama mencerminkan fakta bahwa tidak ada percepatan (2s).
Namun pada akselerator linier, tingginya sudah berbeda - 0.225, 0.225 dan 0.250 mm (+ pelat kuarsa leburan 0.42 dan 0.84 mm). Peningkatan ketinggian lapisan menjelaskan peningkatan kecepatan elektron selama percepatan.
Para ilmuwan mencatat bahwa jumlah lapisan secara langsung bertanggung jawab atas fungsionalitas masing-masing kedua perangkat. Untuk mencapai tingkat akselerasi yang lebih tinggi, misalnya, akan memerlukan lebih banyak lapisan dan konfigurasi ketinggian yang berbeda untuk mengoptimalkan interaksi.
Hasil percobaan praktis
Pertama, para peneliti mengingatkan bahwa dalam akselerator frekuensi radio tradisional, pengaruh jangkauan temporal berkas elektron yang tertanam pada sifat berkas yang dipercepat disebabkan oleh perubahan medan listrik yang dialami selama interaksi berbagai elektron dalam berkas yang datang. pada waktu yang berbeda. Oleh karena itu, diharapkan bahwa medan dengan gradien yang lebih tinggi dan sinar dengan durasi yang lebih lama akan menyebabkan penyebaran energi yang lebih besar. Sinar yang disuntikkan dengan durasi yang lama juga dapat menghasilkan nilai yang lebih tinggi emisi*.
Emisi* — ruang fase yang ditempati oleh berkas partikel bermuatan yang dipercepat.
Dalam kasus akselerator terahertz, periode medan eksitasi kira-kira 200 kali lebih pendek. Karena itu, ketegangan* bidang yang didukung akan 10 kali lebih tinggi.
Kekuatan medan listrik* - indikator medan listrik, sama dengan rasio gaya yang diterapkan pada muatan titik stasioner yang ditempatkan pada suatu titik tertentu di medan dengan besarnya muatan tersebut.
Jadi, dalam akselerator terahertz, gradien medan yang dialami elektron bisa beberapa kali lipat lebih tinggi dibandingkan perangkat konvensional. Skala waktu di mana kelengkungan bidang terlihat akan jauh lebih kecil. Oleh karena itu, durasi berkas elektron yang dimasukkan akan memiliki efek yang lebih nyata.
Para ilmuwan memutuskan untuk menguji teori-teori ini dalam praktik. Untuk melakukan ini, mereka memperkenalkan berkas elektron dengan durasi berbeda, yang dikontrol dengan kompresi menggunakan perangkat STEAM pertama (STEAM-buncher).
Gambar #3
Jika kompresor tidak dihubungkan ke sumber listrik, berkas elektron (55 keV) dengan muatan ∼1 fC (femtocoulomb) melewati sekitar 300 mm dari senjata elektron ke perangkat akselerator linier (STEAM-linac). Elektron ini dapat mengembang di bawah pengaruh gaya muatan ruang hingga durasi lebih dari 1000 fs (femtodetik).
Pada durasi ini, berkas elektron menempati sekitar 60% dari setengah panjang gelombang medan percepatan pada frekuensi 1,7 ps, menghasilkan spektrum energi pasca percepatan dengan puncak pada 115 keV dan setengah lebar distribusi energi. lebih besar dari 60 keV (3a).
Untuk membandingkan hasil ini dengan yang diharapkan, situasi perambatan elektron melalui akselerator linier disimulasikan ketika elektron tidak sinkron dengan (yaitu tidak sinkron dengan) waktu injeksi optimal. Perhitungan situasi ini menunjukkan bahwa peningkatan energi elektron sangat bergantung pada momen injeksi, hingga skala waktu subpikodetik (3b). Artinya, dengan pengaturan optimal, elektron akan mengalami percepatan radiasi terahertz setengah siklus penuh di setiap lapisan (3s).
Jika elektron tiba pada waktu yang berbeda, percepatannya di lapisan pertama akan lebih kecil, sehingga membutuhkan waktu lebih lama untuk melewatinya. Desinkronisasi kemudian meningkat pada lapisan berikutnya, menyebabkan perlambatan yang tidak diinginkan (3d).
Untuk meminimalkan efek negatif dari perpanjangan waktu berkas elektron, perangkat STEAM pertama dioperasikan dalam mode kompresi. Durasi berkas elektron pada linac dioptimalkan hingga minimum ~350 fs (setengah lebar) dengan menyetel energi terahertz yang disuplai ke kompresor dan mengalihkan linac ke mode penetasan (4b).
Gambar #4
Durasi pancaran minimum diatur sesuai dengan durasi pulsa UV fotokatoda, yaitu ~600 fs. Jarak antara kompresor dan strip juga memainkan peran penting, yang membatasi kecepatan gaya pengentalan. Bersama-sama, langkah-langkah ini memungkinkan presisi femtodetik dalam fase injeksi dan fase akselerasi.
Pada gambar 4a terlihat bahwa penyebaran energi berkas elektron terkompresi setelah percepatan yang dioptimalkan dalam akselerator linier berkurang ~ 4 kali lipat dibandingkan dengan akselerator yang tidak terkompresi. Karena percepatan, spektrum energi berkas terkompresi bergeser ke energi yang lebih tinggi, berbeda dengan berkas tak terkompresi. Puncak spektrum energi setelah percepatan adalah sekitar 115 keV, dan ekor energi tinggi mencapai sekitar 125 keV.
Angka-angka ini, menurut pernyataan sederhana para ilmuwan, adalah rekor percepatan baru (sebelum percepatan adalah 70 keV) dalam kisaran terahertz.
Tetapi untuk mengurangi dispersi energi (4a), sinar yang lebih pendek harus dicapai.
Gambar #5
Dalam kasus berkas sinar masuk yang tidak terkompresi, ketergantungan parabola ukuran berkas pada arus menunjukkan pancaran transversal dalam arah horizontal dan vertikal: εx,n = 1.703 mm*mrad dan εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresi, pada gilirannya, meningkatkan pancaran transversal sebanyak 6 kali lipat menjadi εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) dan εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Perlu dicatat bahwa derajat pengurangan pancaran kira-kira dua kali lebih besar dari derajat pengurangan durasi pancaran, yang merupakan ukuran nonlinier dari dinamika interaksi terhadap waktu ketika elektron mengalami pemfokusan dan pengaburan medan magnet yang kuat selama percepatan (5b и 5s).
Pada gambar 5b Terlihat bahwa elektron yang dimasukkan pada waktu optimal mengalami seluruh setengah siklus percepatan medan listrik. Namun elektron yang tiba sebelum atau setelah waktu optimal mengalami percepatan yang lebih kecil dan bahkan perlambatan parsial. Secara kasar, elektron seperti itu memiliki energi yang lebih sedikit.
Situasi serupa terjadi ketika terkena medan magnet. Elektron yang disuntikkan pada waktu optimal mengalami medan magnet positif dan negatif dalam jumlah yang simetris. Jika masuknya elektron terjadi sebelum waktu optimal, maka medan positifnya lebih banyak dan medan negatifnya lebih sedikit. Jika elektron dimasukkan lebih lambat dari waktu optimal, jumlah elektron positif akan lebih sedikit dan elektron negatif akan lebih banyak (5s). Dan penyimpangan seperti itu mengarah pada fakta bahwa elektron dapat menyimpang ke kiri, kanan, atas atau bawah, tergantung pada posisinya relatif terhadap sumbu, yang menyebabkan peningkatan momentum transversal yang berhubungan dengan pemfokusan atau pengaburan sinar.
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya и untuk dia.
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Singkatnya, kinerja akselerator akan meningkat jika durasi berkas elektron dikurangi. Dalam pekerjaan ini, durasi sinar yang dapat dicapai dibatasi oleh geometri instalasi. Namun secara teori, durasi pancaran sinarnya bisa mencapai kurang dari 100 fs.
Para ilmuwan juga mencatat bahwa kualitas sinar dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan mengurangi ketinggian lapisan dan menambah jumlahnya. Namun, metode ini bukannya tanpa masalah, khususnya meningkatkan kompleksitas pembuatan perangkat.
Pekerjaan ini merupakan tahap awal dari studi yang lebih luas dan rinci tentang versi miniatur akselerator linier. Terlepas dari kenyataan bahwa versi yang diuji sudah menunjukkan hasil yang sangat baik, yang dapat disebut memecahkan rekor, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggumu menyenangkan semuanya! 🙂
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, Diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server level awal, yang kami ciptakan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com