Il principio "più grande significa più potente" è già da tempo consolidato in molti settori della società, compresi scienza e tecnologia. Tuttavia, nelle realtà odierne, si incontra sempre più spesso l'implementazione pratica del proverbio "piccolo ma potente". Questo si manifesta non solo nei computer, che un tempo occupavano un'intera stanza e ora possono stare nel palmo di una mano, ma anche negli acceleratori di particelle. Sì, ricorda il grande collisore di adroni (LHC), le cui dimensioni imponenti (26.659 m di lunghezza) sono letteralmente indicati nel suo nome? Ebbene, questo appartiene già al passato secondo gli scienziati di DESY, che hanno sviluppato una versione miniaturizzata dell'acceleratore, che non ha nulla da invidiare al suo predecessore a grandezza naturale. Inoltre, il mini acceleratore ha persino stabilito un nuovo record mondiale tra gli acceleratori terahertz, raddoppiando l'energia degli elettroni iniettati. Come è stato sviluppato il mini acceleratore, quali sono i principi fondamentali del suo funzionamento e cosa hanno dimostrato gli esperimenti pratici? Una relazione del gruppo di ricerca ci aiuterà a scoprirlo. Partiamo.
La base della ricerca
Secondo Dongfang Zhang e i suoi colleghi del DESY (German Electron Synchrotron), che hanno sviluppato il mini acceleratore, le sorgenti di elettroni ultraveloce giocano un ruolo incredibilmente importante nella vita moderna. Molti di essi sono fondamentali in medicina, nello sviluppo dell'elettronica e nella ricerca scientifica. Il problema principale degli attuali acceleratori lineari, che utilizzano generatori a radiofrequenza, è il loro costo elevato, la complessità dell'infrastruttura e le notevoli esigenze di potenza. Questi svantaggi limitano fortemente l'accesso a tali tecnologie a un pubblico più ampio.
Questi problemi evidenti sono un ottimo stimolo per sviluppare dispositivi le cui dimensioni non suscitino timore, né quanto alla potenza consumata.
Tra le novità relative nel settore, si possono evidenziare gli acceleratori terahertz, che presentano diversi "vantaggi":
- si prevede che le onde corte e gli impulsi brevi della radiazione terahertz consentano di aumentare significativamente la soglia di breakdown*, causato dal campo, il che consentirà di aumentare i gradienti di accelerazione;
Guasto elettrico* — un'improvvisa crescita della corrente quando viene applicata una tensione superiore a quella critica.
- la presenza di metodi efficaci per la generazione di radiazione terahertzd ad alto campo consente di eseguire la sincronizzazione interna tra gli elettroni e i campi di eccitazione;
- per la creazione di tali dispositivi possono essere utilizzati metodi classici, ma i loro costi, i tempi di produzione e le dimensioni saranno notevolmente ridotti.
Gli scienziati ritengono che il loro acceleratore terahertz su scala millimetrica sia un compromesso tra gli acceleratori convenzionali attualmente disponibili e i micro-acceleratori in fase di sviluppo, che presentano molti svantaggi a causa delle loro dimensioni estremamente ridotte.
I ricercatori non negano che la tecnologia dell'accelerazione terahertz sia in fase di sviluppo da un po' di tempo. Tuttavia, secondo loro, ci sono ancora molti aspetti in questo campo che non sono stati studiati, verificati o realizzati.
Nel suo lavoro, che stiamo esaminando oggi, gli scienziati dimostrano le potenzialità di STEAM (acceleratore e manipolatore di elettroni terahertz segmentato) — acceleratore elettronico terahertz segmentato e manipolatore. STEAM consente di ridurre la lunghezza del fascio di elettroni a una durata sub-picoscondo, assicurando così un controllo femtosecondo sulla fase di accelerazione.
È stato raggiunto un campo di accelerazione di 200 MV/m (MV — megavolt), il che porta a un'accelerazione terahertz da record di > 70 keV (chilo-elettronvolt) dal fascio di elettroni iniettato con un'energia di 55 keV. Sono così stati ottenuti elettroni accelerati fino a 125 keV.
Struttura del dispositivo e la sua realizzazione
Immagine n. 1: schema del dispositivo studiato.
Immagine n. 1-2: a — schema della struttura segmentata a 5 strati sviluppata, b — rapporto di accelerazione calcolata e direzione di propagazione degli elettroni.
Fascetti di elettroni (55 keV) generati da gun elettronica* e iniettati nel compattatore terahertz STEAM (compressore del fascio), dopo di che passano nel linac STEAM (acceleratore lineare*).
Gun elettronica* — dispositivo di generazione del fascio di elettroni con configurazione ed energia necessarie.
Acceleratore lineare* — acceleratore in cui le particelle cariche attraversano la struttura solo una volta, a differenza di un acceleratore lineare da uno ciclico (ad esempio, il LHC).
Entrambi i dispositivi STEAM ricevono impulsi terahertz da un unico laser a luce infrarossa vicino (NIR), che avvia anche il fotocatodo della pistola elettronica, portando a una sincronizzazione interna tra gli elettroni e i campi acceleratori. Gli impulsi ultravioletti per l'emissione fotonica sul fotocatodo sono generati attraverso due fasi successive. GWG* lunghezza d'onda principale della luce infrarossa vicino. Questo processo converte l'impulso laser con lunghezza d'onda di 1020 nm inizialmente in 510 nm e poi in 255 nm.
GWG* (generazione della seconda armonica ottica) — processo di combinazione dei fotoni con la stessa frequenza durante l'interazione con un materiale non lineare, che porta alla formazione di nuovi fotoni con energia e frequenza doppie, nonché alla metà della lunghezza d'onda.
La parte rimanente del fascio laser NIR è suddivisa in 4 fasci, utilizzati per generare quattro impulsi terahertz a ciclo singolo attraverso la generazione di differenze tra le frequenze impulsive.
Due impulsi terahertz vengono poi inviati a ciascun dispositivo STEAM attraverso strutture a corna simmetriche, che guidano l'energia terahertz nell'area di interazione perpendicolare alla direzione di propagazione degli elettroni.
Quando gli elettroni entrano in ciascun dispositivo STEAM, sono soggetti all'influenza delle componenti elettriche e magnetiche della forza di Lorentz*.
Forza di Lorentz* — la forza con cui un campo elettromagnetico agisce su una particella carica.
In questo caso, il campo elettrico è responsabile dell'accelerazione e della decelerazione, mentre il campo magnetico provoca deviazioni trasversali.
Immagine n. 2
Come vediamo dalle immagini 2a e 2b, all'interno di ciascun dispositivo STEAM i fasci terahertz sono divisi trasversalmente da sottili fogli metalliche a diversi strati di spessore variabile, ognuno dei quali funge da guida d'onda, trasportando parte dell'energia totale nell'area di interazione. Inoltre, in ciascun strato sono presenti piastre dielettriche per sincronizzare il tempo di arrivo del fronte d'onda terahertz* con il fronte degli elettroni.
Fronte d'onda* — la superficie raggiunta dall'onda.
Entrambi i dispositivi STEAM operano in modalità elettrica, producendo sovrapposizione di un campo elettrico e soppressione del campo magnetico al centro della zona di interazione.
Nel primo dispositivo, gli elettroni sono temporizzati per passare attraverso l'intersezione dello zero* del campo terahertz, dove i gradienti temporali del campo elettrico sono massimizzati e il campo medio è minimizzato.
L'intersezione dello zero* è il punto in cui non c'è tensione.
Questa configurazione provoca l'accelerazione della coda del fascio di elettroni e il rallentamento della testa, portando a una focale longitudinale balistica (2a e 2s).
Nel secondo dispositivo, la sincronizzazione dell'elettrone e della radiazione terahertz è impostata in modo che il fascio di elettroni subisca solo il ciclo negativo del campo elettrico terahertz. Questa configurazione porta a un'accelerazione continua pura (2b e 2d).
Un laser a emissione NIR è simile a un sistema Yb:YLF refrigerato criogenicamente, che emette impulsi ottici di 1,2 ps e un'energia di 50 mJ a una lunghezza d'onda di 1020 nm e una frequenza di ripetizione di 10 Hz. Gli impulsi terahertz con una frequenza centrale di 0,29 terahertz (con un periodo di 3,44 ps) sono generati tramite il metodo del fronte inclinato dell'impulso.
Per alimentare il compressore del fascio STEAM è stata utilizzata soltanto un'energia terahertz di 2 x 50 nJ, mentre per il linac STEAM (acceleratore lineare) sono stati necessari 2 x 15 mJ.
Il diametro degli orifizi di entrata e uscita di entrambi i dispositivi STEAM è di 120 μm.
Il compressore del fascio è progettato con tre strati di altezza uniforme (0,225 mm), dotati di piastre in quarzo fuso (ϵr = 4,41) di lunghezza 0,42 e 0,84 mm per il controllo della sincronizzazione temporale. L'uguale altezza degli strati del compressore riflette il fatto che non avviene accelerazione (2s).
Ma nell'acceleratore lineare le altezze sono già diverse — 0,225, 0,225 e 0,250 mm (+ piastre di quarzo fuso da 0,42 e 0,84 mm). L'aumento dell'altezza dello strato spiega l'aumento della velocità degli elettroni durante l'accelerazione.
Gli scienziati notano che il numero di strati influenza direttamente le funzionalità di ciascuno dei due dispositivi. Per ottenere un maggiore grado di accelerazione, ad esempio, sono necessari più strati e una diversa configurazione delle altezze per ottimizzare l'interazione.
Risultati degli esperimenti pratici
Innanzitutto, i ricercatori ricordano che nei tradizionali acceleratori basati su radiofrequenze, l'influenza della durata temporale del fascio elettronico inserito sulle proprietà del fascio accelerato è legata alla variazione del campo elettrico, subita durante l'interazione da diversi elettroni all'interno del fascio, che arrivano in tempi differenti. Pertanto, si può ipotizzare che campi con un gradiente maggiore e fasci di maggiore durata porteranno a una maggiore dispersione delle energie. I fasci introdotti di lunga durata possono anche portare a valori più elevati. emittanza*.
Emittanza* — lo spazio di fase occupato dal fascio accelerato di particelle cariche.
Nel caso dell'acceleratore terahertz, il periodo del campo di eccitazione è circa 200 volte più corto. Di conseguenza, intensità* del campo mantenuto sarà dieci volte superiore.
Intensità del campo elettrico* — indicatore del campo elettrico, che è pari al rapporto tra la forza applicata a una carica puntiforme immobile posizionata in un dato punto del campo e l'ammontare di tale carica.
In un acceleratore terahertz, i gradienti del campo a cui vengono sottoposti gli elettroni possono essere di diversi ordini di grandezza superiori rispetto a un dispositivo normale. Il tempo durante il quale la curvatura del campo è percepibile sarà significativamente inferiore. Da ciò deriva che la durata del fascio di elettroni introdotto avrà un'influenza più marcata.
Gli scienziati hanno deciso di testare praticamente i dati della teoria. A questo scopo, hanno introdotto fasci di elettroni di diversa durata, controllata mediante compressione grazie al primo dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Immagine n. 3
Nel caso in cui il compressore non fosse stato collegato a una fonte di alimentazione, fasci di elettroni (55 keV) con una carica di ∼1 fC (femtocoulomb) percorrevano circa 300 mm dalla pistola elettronica al dispositivo di accelerazione lineare (STEAM-linac). Questi elettroni potevano espandersi sotto l'azione delle forze di carica spaziale fino a una durata di oltre 1000 fs (femtosecondi).
Con una tale durata, il fascio elettronico occupava circa il 60% di un semiperiodo del campo di accelerazione con una frequenza di 1,7 ps, portando a uno spettro energetico dopo l'accelerazione con un picco a 115 keV e una larghezza di distribuzione dell'energia superiore a 60 keV (3a).
Per confrontare questi risultati con quelli attesi, è stata modellata la situazione della propagazione degli elettroni attraverso un acceleratore lineare, dove gli elettroni erano disallineati (ossia non corrispondono) al tempo ottimale di iniezione. I calcoli per tale situazione hanno mostrato che l'aumento dell'energia degli elettroni dipende molto dal momento di iniezione, fino alla scala temporale subpicosecondo (3b). In altre parole, con una regolazione ottimale, l'elettrone sperimenterà l'intero semiperiodo di accelerazione delle radiazioni terahertz in ciascun strato (3c).
Se invece gli elettroni arrivano in momenti diversi, subiscono un'accelerazione minore nel primo strato, il che richiede loro più tempo per attraversarlo. Successivamente, il disallineamento aumenta nei successivi strati, causando un rallentamento indesiderato (3d).
Per ridurre al minimo l'effetto negativo della durata temporale del fascio di elettroni, il primo dispositivo STEAM operava in modalità di compressione. La durata del fascio di elettroni nell'acceleratore lineare è stata ottimizzata al minimo di circa 350 fs (full width) regolando l'energia terahertz fornita al compressore e switchando l'acceleratore lineare in modalità di tracciatura (4b).
Immagine n. 4
La durata minima del fascio è stata impostata in base alla durata dell'impulso UV del fotocatodo, che era di circa 600 fs. Anche la distanza tra il compressore e la striscia ha giocato un ruolo importante, limitando la forza di compressione in base alla velocità. Insieme, queste misure consentono di garantire una precisione in femtosecondi della fase di inserimento nella fase di accelerazione.
Nell'immagine 4a È evidente che la dispersione di energia del fascio elettronico compresso, dopo l'accelerazione ottimizzata nel acceleratore lineare, diminuisce di circa 4 volte rispetto a quella non compressa. Grazie all'accelerazione, lo spettro energetico del fascio compresso si sposta verso energie più elevate, a differenza del fascio non compresso. Il picco dello spettro energetico dopo l'accelerazione è di circa 115 keV, mentre la coda ad alta energia raggiunge circa 125 keV.
Questi valori, secondo quanto dichiarato modestamente dagli scienziati, rappresentano un nuovo record di accelerazione (prima dell'accelerazione era 70 keV) nella gamma dei terahertz.
Tuttavia, per ridurre la dispersione di energia (4a), è necessario raggiungere un fascio ancora più corto.
Immagine n. 5
Nel caso di un fascio non compresso, la dipendenza parabolica della dimensione del fascio rispetto alla corrente rivela l'emittanza trasversale nelle direzioni orizzontale e verticale: εx,n = 1.703 mm*mrad e εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
La compressione, a sua volta, ha migliorato l'emittanza trasversale di 6 volte a εx,n = 0.285 mm*mrad (orizzontale) e εy,n = 0.246 mm*mrad (verticale).
È importante notare che il grado di riduzione dell'emittanza è circa il doppio rispetto al grado di riduzione della durata del fascio, che rappresenta una misura della non linearità della dinamica di interazione nel tempo, quando gli elettroni subiscono un forte focus e defocus del campo magnetico durante l'accelerazione (5b e 5с).
Nell'immagine 5b si nota che gli elettroni introdotti nel momento ottimale subiscono l'intero semiperiodo di accelerazione del campo elettrico. Gli elettroni che arrivano prima o dopo il momento ottimale, invece, subiscono una minore accelerazione e perfino un parziale rallentamento. Di conseguenza, tali elettroni ricevono meno energia, in parole semplici.
Una situazione simile si osserva anche sotto l'influenza del campo magnetico. Gli elettroni introdotti nel momento ottimale subiscono una quantità simmetrica di campi magnetici positivi e negativi. Se invece l'introduzione degli elettroni avveniva prima del momento ottimale, c'erano più campi positivi e meno negativi. Nel caso in cui gli elettroni siano stati introdotti dopo il momento ottimale, ci saranno meno positivi e più negativi.5с). Tali deviazioni possono portare a una deviazione dell'elettrone a sinistra, a destra, verso l'alto o verso il basso, a seconda della posizione rispetto all'asse, con conseguente aumento dell'impulso trasversale associato alla messa a fuoco o alla defocalizzazione del fascio.
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad esso.
Epilogo
In sintesi, le prestazioni dell'acceleratore aumenteranno nel caso di una riduzione della durata del fascio di elettroni. In questo lavoro, la durata del fascio raggiungibile è stata limitata dalla geometria dell'impianto. Tuttavia, in teoria, la durata del fascio può scendere anche al di sotto dei 100 fs.
Gli scienziati notano anche che la qualità del fascio può essere ulteriormente migliorata riducendo l'altezza degli strati e aumentando il loro numero. Tuttavia, questo metodo non è privo di problemi, in particolare l'aumento della complessità nella produzione del dispositivo.
Questo lavoro è un primo passo verso uno studio più ampio e dettagliato della versione in miniatura dell'acceleratore lineare. Sebbene la versione testata mostri già risultati eccellenti, che si possono giustamente definire record, c'è ancora molto lavoro da fare.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
