Hin kunnuglega meginregla „meira er öflugra“ hefur lengi verið komið á mörgum sviðum samfélagsins, þar á meðal vísindum og tækni. Hins vegar, í nútíma veruleika, er hagnýt útfærsla orðtaksins „lítil, en voldug“ að verða algengari og algengari. Þetta birtist bæði í tölvum, sem áður tóku heilt herbergi, en passa nú í lófa barns, og í hlaðnum öreindahröðlum. Já, manstu eftir Large Hadron Collider (LHC), en tilkomumikil stærð hans (26 m á lengd) er bókstaflega tilgreind í nafni hans? Þannig að þetta tilheyrir nú þegar fortíðinni að mati vísindamanna frá DESY, sem hafa þróað smáútgáfu af inngjöfinni, sem er ekki síðri í frammistöðu en forveri hans í fullri stærð. Þar að auki setti smáhraðallinn meira að segja nýtt heimsmet meðal terahertz hraða og tvöfaldaði orku innbyggðu rafeindanna. Hvernig var smáhraðallinn þróaður, hverjar eru grundvallarreglur um notkun hans og hvað hafa raunhæfar tilraunir sýnt? Skýrsla rannsóknarhópsins mun hjálpa okkur að komast að þessu. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Að sögn Dongfang Zhang og samstarfsmanna hans hjá DESY (Þýska rafeindasynchrotron), sem þróaði smáhraðalinn, gegna ofurhröðum rafeindagjöfum ótrúlega mikilvægu hlutverki í lífi nútímasamfélags. Mörg þeirra koma fram í læknisfræði, rafeindatækniþróun og vísindarannsóknum. Stærsta vandamálið við núverandi línuhraðla sem nota útvarpsbylgjur er hár kostnaður þeirra, flókin innviði og áhrifamikil orkunotkun. Og slíkir annmarkar takmarka mjög aðgengi slíkrar tækni fyrir fjölbreyttari notendur.
Þessi augljósu vandamál eru mikil hvatning til að þróa tæki þar sem stærð og orkunotkun mun ekki valda hryllingi.
Meðal hlutfallslegra nýjunga í þessum iðnaði eru terahertz hraðlarar, sem hafa fjölda „kosta“:
- Gert er ráð fyrir að stuttar bylgjur og stuttir púlsar af terahertz geislun muni hækka þröskuldinn verulega brotna niður*, af völdum sviðsins, sem mun auka hröðun halla;
Rafmagnsbilun* - mikil aukning á straumstyrk þegar spennu yfir gagnrýni er beitt.
- tilvist árangursríkra aðferða til að mynda hásviðs terahertz geislun gerir kleift að samstilla innri milli rafeinda og örvunarsviða;
- Hægt er að nota klassískar aðferðir til að búa til slík tæki en kostnaður þeirra, framleiðslutími og stærð mun minnka til muna.
Vísindamenn telja að terahertz hraðallinn þeirra á millimetra mælikvarða sé málamiðlun á milli hefðbundinna hraða sem nú eru fáanlegir og örhraðla sem verið er að þróa, en hafa marga ókosti vegna mjög lítillar stærðar.
Vísindamenn neita því ekki að terahertz hröðunartækni hefur verið í þróun í nokkurn tíma. Að þeirra mati eru þó enn margir þættir á þessu sviði sem ekki hafa verið rannsakaðir, prófaðir eða útfærðir.
Í starfi sínu, sem við erum að íhuga í dag, sýna vísindamenn fram á getu STEAM (sundurgreindur terahertz rafeindahraðall og stýrimaður) - terahertz rafeindahraðall og stjórnun. STEAM gerir það mögulegt að minnka lengd rafeindageislans niður í undir-píkósekúndu lengd og veitir þar með femtósekúndu stjórn á hröðunarfasanum.
Hægt var að ná hröðunarsviði upp á 200 MV/m (MV - megavolt), sem leiðir til metrar terahertz hröðunar > 70 keV (kíló rafeindavolt) frá innbyggðum rafeindageisla með orku upp á 55 keV. Þannig fengust hraðar rafeindir allt að 125 keV.
Uppbygging tækja og framkvæmd
Mynd nr. 1: skýringarmynd af tækinu sem verið er að rannsaka.
Mynd nr. 1-2: a - skýringarmynd af þróuðu 5 laga sundurliðuðu uppbyggingu, b - hlutfall reiknaðrar hröðunar og útbreiðslustefnu rafeinda.
Rafeindageislar (55 keV) eru myndaðir úr rafeindabyssa* og eru settar inn í terahertz STEAM-buncher (geislaþjöppu), eftir það fara þeir í STEAM-linac (línuleg inngjöf*).
Rafeindabyssa* — búnaður til að búa til geisla rafeinda með nauðsynlegri stillingu og orku.
Línuhraðall* - hraðall þar sem hlaðnar agnir fara aðeins einu sinni í gegnum mannvirkið, sem aðgreinir línulegan hraðal frá hringlaga (til dæmis LHC).
Bæði STEAM tækin fá terahertz púls frá einum nær-innrauðum (NIR) leysi, sem einnig skýtur ljóskatóð rafeindabyssunnar, sem leiðir til innri samstillingar milli rafeinda og hröðunarsviða. Útfjólubláir púlsar fyrir ljósgeislun á ljósskautinu eru myndaðir í gegnum tvö stig í röð GVG* grundvallarbylgjulengd nær-innrauðs ljóss. Þetta ferli breytir 1020 nm leysispúls fyrst í 510 nm og síðan í 255 nm.
GVG* (optical second harmonic generation) er ferlið við að sameina ljóseindir af sömu tíðni meðan á víxlverkun stendur við ólínulegt efni, sem leiðir til myndunar nýrra ljóseinda með tvöfaldri orku og tíðni, auk hálfrar bylgjulengdar.
Afgangurinn af NIR leysigeislanum er skipt í 4 geisla, sem eru notaðir til að búa til fjóra eins lotu terahertz púlsa með því að búa til tíðnimun innan púls.
Terahertz púlsarnir tveir eru síðan afhentir í hvert STEAM tæki í gegnum samhverfa hornbyggingu sem beina terahertz orkunni inn í samspilssvæðið í átt að útbreiðslu rafeinda.
Þegar rafeindir komast inn í hvert STEAM tæki verða þær fyrir raf- og segulmagnaðir íhlutum Lorentz sveitir*.
Lorentz afl* - krafturinn sem rafsegulsviðið verkar á hlaðna ögn.
Í þessu tilviki er rafsviðið ábyrgt fyrir hröðun og hraðaminnkun og segulsviðið veldur hliðarbeygju.
Mynd #2
Eins og við sjáum á myndunum 2 и 2b, Inni í hverju STEAM tæki er terahertz geislunum skipt í þvermál með þunnum málmplötum í nokkur lög af mismunandi þykkt, sem hvert um sig virkar sem bylgjuleiðari og flytur hluta af heildarorkunni til víxlverkunarsvæðisins. Það eru líka rafmagnsplötur í hverju lagi til að samræma komutíma terahertzsins öldu framan* með framhlið rafeinda.
Wavefront* - yfirborðið sem bylgjan hefur náð.
Bæði STEAM tækin starfa í rafmagnsham, það er að segja á þann hátt að þau leggi á rafsvið og bælir niður segulsvið í miðju víxlverkunarsvæðisins.
Í fyrsta tækinu eru rafeindir tímasettar til að fara í gegnum núll yfir* terahertz sviði, þar sem tímahalli rafsviðsins er hámarkaður og meðalsviðið er lágmarkað.
Núll yfir* - punktur þar sem engin spenna er.
Þessi uppsetning veldur því að hali rafeindageislans hraðar og höfuð hans hægir á, sem leiðir til kúlulaga lengdarfókus (2 и 2).
Í öðru tækinu er samstilling rafeinda og terahertz geislunar stillt þannig að rafeindageislinn upplifir aðeins neikvæða hringrás terahertz rafsviðsins. Þessi uppsetning leiðir til nettó samfelldrar hröðunar (2b и 2d).
NIR leysirinn er frostkælt Yb:YLF kerfi sem framleiðir sjónpúlsa sem eru 1.2 ps lengd og 50 mJ orku á bylgjulengd 1020 nm og endurtekningarhraða 10 Hz. Og terahertz púlsar með miðtíðni 0.29 terahertz (tímabil 3.44 ps) eru búnir til með hallandi púls framan aðferð.
Til að knýja STEAM-bunkerinn (geislaþjöppu) voru aðeins notuð 2 x 50 nJ af terahertz orku og STEAM-linac (línuhraðallinn) þurfti 2 x 15 mJ.
Þvermál inntaks- og úttaksgata beggja STEAM tækjanna er 120 míkron.
Geislaþjöppan er hönnuð með þremur jafnháum lögum (0 mm), sem eru búin bræddum kísilplötum (ϵr = 225) að lengd 4.41 og 0.42 mm til að stjórna tímasetningu. Jöfn hæð þjöppulaganna endurspeglar þá staðreynd að það er engin hröðun (2).
En í línulega hraðalanum eru hæðirnar nú þegar mismunandi - 0.225, 0.225 og 0.250 mm (+ samraðar kvarsplötur 0.42 og 0.84 mm). Aukning á hæð lagsins skýrir aukningu á hraða rafeinda við hröðun.
Vísindamenn taka fram að fjöldi laga er beinlínis ábyrgur fyrir virkni hvers tækjanna tveggja. Til að ná hærri hröðunarhraða, til dæmis, þyrfti fleiri lög og mismunandi hæðarstillingar til að hámarka samskipti.
Niðurstöður verklegra tilrauna
Í fyrsta lagi minna vísindamennirnir á að í hefðbundnum útvarpsbylgjum er áhrif tímabundins umfangs innbyggða rafeindageislans á eiginleika hraðgeislans vegna breytinga á rafsviðinu sem verður við samspil mismunandi rafeinda innan geislans sem berast. á mismunandi tímum. Þannig má búast við að reitir með hærri halla og geislar með lengri endingu leiði til meiri orkudreifingar. Langvarandi geislar geta einnig leitt til hærri gilda útblástur*.
Útstreymi* — fasarými sem er upptekið af hröðunargeisla hlaðinna agna.
Þegar um er að ræða terahertz hraðal er tímabil örvunarsviðsins um það bil 200 sinnum styttra. Þess vegna, spenna* studd reiturinn verður 10 sinnum hærri.
Rafsviðsstyrkur* - vísir fyrir rafsviðið, jafnt hlutfalli kraftsins sem beitt er á kyrrstæða punkthleðslu sem er staðsett á tilteknum punkti á sviðinu og stærð þessarar hleðslu.
Þannig, í terahertz hröðli, geta sviðshalli rafeinda verið nokkrum stærðargráðum hærri en í hefðbundnu tæki. Tímakvarðinn þar sem sveigju sviðsins er áberandi verður verulega minni. Af þessu leiðir að lengd rafeindageisla sem innleiddur er mun hafa meiri áhrif.
Vísindamenn ákváðu að prófa þessar kenningar í reynd. Til að gera þetta kynntu þeir rafeindageisla af mismunandi lengd, sem var stjórnað með þjöppun með því að nota fyrsta STEAM tækið (STEAM-buncher).
Mynd #3
Í því tilviki þar sem þjöppan var ekki tengd við aflgjafa, fóru rafeindageislar (55 keV) með ~1 fC (femtoculomb) hleðslu um það bil 300 mm frá rafeindabyssunni yfir í línulega hröðunarbúnaðinn (STEAM-linac). Þessar rafeindir gætu þanist út undir áhrifum hleðslukrafta í geimnum allt að meira en 1000 fs (femtósekúndur).
Á þessum tíma tók rafeindageislinn um 60% af hálfbylgjulengd hröðunarsviðsins með tíðninni 1,7 ps, sem leiddi til orkurófs eftir hröðun með hámarki við 115 keV og hálfa breidd orkudreifingarinnar. meira en 60 keV (3).
Til að bera þessar niðurstöður saman við þær sem búist var við var líkt eftir aðstæðum rafeindaútbreiðslu í gegnum línulegan hraðal þegar rafeindirnar voru ekki samstilltar við (þ. Útreikningar á þessu ástandi sýndu að aukning rafeindaorku er mjög háð inndælingar augnablikinu, niður á undirpíkósekúndu tímakvarða (3b). Það er, með ákjósanlegri stillingu mun rafeindin upplifa heila hálfhring af terahertz geislunarhröðun í hverju lagi (3).
Ef rafeindirnar koma á mismunandi tímum upplifa þær minni hröðun í fyrsta laginu sem gerir það að verkum að þær eru lengur að ferðast í gegnum það. Afsamstillingin eykst síðan í eftirfarandi lögum, sem veldur óæskilegri hægagangi (3d).
Til þess að lágmarka neikvæð áhrif tímabundinnar framlengingar rafeindageislans, var fyrsta STEAM tækið starfrækt í þjöppunarham. Lengd rafeindageisla við linac var fínstillt í að lágmarki ~350 fs (hálf breidd) með því að stilla terahertz orkuna sem er til staðar til þjöppunnar og skipta linac yfir í hatch mode (4b).
Mynd #4
Lágmarkslengd geisla var stillt í samræmi við lengd ljósskauts UV púls, sem var ~600 fs. Fjarlægðin milli þjöppunnar og ræmunnar gegndi einnig mikilvægu hlutverki, sem takmarkaði hraða þykkingarkraftsins. Saman gera þessar ráðstafanir kleift að ná nákvæmni á femtósekúndu í inndælingarfasa hröðunarfasa.
Á myndinni 4 það má sjá að orkudreifing þjappaðs rafeindageisla eftir bjartsýni hröðunar í línulegum hröðli minnkar um ~ 4 sinnum miðað við óþjappaðan. Vegna hröðunar færist orkusvið þjappaða geislans í átt að hærri orku, öfugt við óþjappaða geislann. Hámark orkurófsins eftir hröðun er um 115 keV og háorkuhalinn nær um 125 keV.
Þessar tölur, samkvæmt hógværri yfirlýsingu vísindamanna, eru nýtt hröðunarmet (fyrir hröðun var hún 70 keV) á terahertz-sviðinu.
En til að draga úr orkudreifingu (4), verður að ná enn styttri geisla.
Mynd #5
Ef um er að ræða óþjappaðan innleiddan geisla, sýnir fleygbogastærð geislastærðarinnar af straumnum þvergeislun í láréttri og lóðréttri átt: εx,n = 1.703 mm*mrad og εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
Þjöppun, aftur á móti, bætti þvergeislunina um 6 sinnum í εx,n = 0,285 mm*mrad (lárétt) og εy,n = 0,246 mm*mrad (lóðrétt).
Rétt er að hafa í huga að magn geislunarminnkunar er um það bil tvöfalt meira en magn geislalengdarminnkunar, sem er mælikvarði á ólínuleika víxlverkunarvirkninnar með tímanum þegar rafeindir upplifa sterka fókus og affókus á segulsviðinu við hröðun (5b и 5).
Á myndinni 5b Það má sjá að rafeindir sem eru kynntar á besta tíma upplifa allan hálfhring rafsviðshröðunarinnar. En rafeindir sem koma fyrir eða eftir ákjósanlegan tíma upplifa minni hröðun og jafnvel að hluta til. Slíkar rafeindir fá minni orku, í grófum dráttum.
Svipað ástand sést þegar það verður fyrir segulsviði. Rafeindir sem sprautað er inn á besta tíma upplifa samhverft magn af jákvæðum og neikvæðum segulsviðum. Ef innleiðing rafeinda átti sér stað fyrir ákjósanlegan tíma, þá voru fleiri jákvæð svið og færri neikvæð. Ef rafeindir eru teknar inn seinna en besti tíminn verður færri jákvæðar og fleiri neikvæðar (5). Og slík frávik leiða til þess að rafeindin getur vikið til vinstri, hægri, upp eða niður, allt eftir staðsetningu hennar miðað við ásinn, sem leiðir til aukningar á þverþrýstingi sem samsvarar fókus eða fókusleysi geislans.
Fyrir ítarlegri kynningu á blæbrigðum rannsóknarinnar mæli ég með að skoða и til hans.
Eftirmáli
Í stuttu máli mun afköst hraðalsins aukast ef lengd rafeindageislans minnkar. Í þessu verki var geislalengd sem hægt var að ná takmörkuð af rúmfræði uppsetningarinnar. En í orði getur lengd geisla náð minna en 100 fs.
Vísindamenn benda einnig á að hægt sé að bæta gæði geislans enn frekar með því að minnka hæð laganna og fjölga þeim. Hins vegar er þessi aðferð ekki án vandamála, sérstaklega að auka flókið framleiðslu tækisins.
Þessi vinna er upphafsstig í umfangsmeiri og ítarlegri rannsókn á smáútgáfu af línuhraðli. Þrátt fyrir að prófuð útgáfan sé nú þegar að sýna framúrskarandi árangur, sem með réttu má kalla met, er enn mikið verk óunnið.
Þakka þér fyrir athyglina, vertu forvitin og eigið frábæra viku allir! 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, 30% afsláttur fyrir Habr notendur á einstökum hliðstæðum upphafsþjónum, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 sinnum ódýrari? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com