Il principio a noi familiare "più significa più potente" si è già affermato in molti settori della vita sociale, compresa la scienza e la tecnologia. Tuttavia, nelle realtà moderne, si incontra sempre più spesso l'attuazione pratica del proverbio "piccolo ma potente". Questo si manifesta sia nei computer, che una volta occupavano un'intera stanza e ora possono stare nel palmo di una mano, sia negli acceleratori di particelle cariche. Già, ricordate il grande acceleratore di particelle (LHC), le cui dimensioni imponenti (26.659 m di lunghezza) sono letteralmente indicate nel suo nome? Ebbene, secondo gli scienziati del DESY, che hanno sviluppato una versione miniaturizzata dell'acceleratore, tutto ciò appartiene ormai al passato, poiché le prestazioni non sono inferiori a quelle del 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 l'acceleratore miniaturizzato, quali sono i principi fondamentali del suo funzionamento e cosa hanno rivelato gli esperimenti pratici? A scoprire tutto questo ci aiuterà la relazione del gruppo di ricerca. Andiamo.
Fondamenti della ricerca
Secondo Dongfang Zhang e i suoi colleghi del DESY (German Electron Synchrotron), che hanno sviluppato il mini-acceleratore, le sorgenti di elettroni ultraveloci giocano un ruolo incredibilmente importante nella vita della società moderna. Molte di esse si manifestano nella medicina, nello sviluppo dell'elettronica e nelle ricerche scientifiche. Il principale problema degli attuali acceleratori lineari, che utilizzano generatori a radiofrequenza, è il loro costo elevato, la complessità dell'infrastruttura e l'apporto energetico impressionante. Questi svantaggi limitano notevolmente l'accessibilità di tali tecnologie a un pubblico più ampio.
Questi problemi evidenti costituiscono un ottimo stimolo per lo sviluppo di dispositivi le cui dimensioni non suscitino terrore, né tantomeno il grado di potenza consumata.
Tra le novità relative in questo settore, si possono segnalare gli acceleratori terahertz, che offrono una serie di "vantaggi":
- si prevede che le onde corte e gli impulsi brevi della radiazione terahertz consentano di aumentare notevolmente la soglia di rottura*, causata dal campo, il che permetterà di incrementare i gradienti di accelerazione;
Rottura elettrica* — aumento brusco della corrente quando viene applicata una tensione superiore a quella critica.
- la presenza di metodi efficaci per la generazione di radiazioni terahertz ad alta tensione consente di realizzare 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 rappresenti un compromesso tra gli acceleratori normali attualmente esistenti e i micro-acceleratori in fase di sviluppo, che presentano però numerosi svantaggi a causa delle loro dimensioni molto ridotte.
I ricercatori non negano che la tecnologia di accelerazione terahertz sia in fase di sviluppo da un certo periodo. Tuttavia, ritengono che in questo campo ci siano ancora molti aspetti che non sono stati studiati, testati o realizzati.
Nel loro lavoro, che stiamo esaminando oggi, gli scienziati dimostrano le capacità di STEAM (acceleratore elettronico e manipolatore terahertz segmentato) — un acceleratore elettronico terahertz segmentato. STEAM consente di ridurre la lunghezza del fascio di elettroni a una durata sub-picosecondo, garantendo così un controllo femtosecondo sulla fase di accelerazione.
È stato possibile raggiungere un campo di accelerazione di 200 MV/m (MV — megavolt), il che porta a un'accelerazione terahertz record di > 70 keV (chiloelektronvolt) dal fascio di elettroni iniettato con un'energia di 55 keV. In questo modo sono stati ottenuti elettroni accelerati fino a 125 keV.
Struttura del dispositivo e sua realizzazione
Immagine n. 1: schema del dispositivo in fase di studio.
Immagine n. 1-2: a — schema della struttura segmentata a 5 strati progettata, b — rapporto tra l'accelerazione calcolata e la direzione di propagazione degli elettroni.
I fasci di elettroni (55 keV) vengono generati da una pistola elettronica* e iniettati nel compressore di fascio STEAM (buncher), dopo di che passano nel linac STEAM (acceleratore lineare*).
Pistola elettronica* — dispositivo di generazione di un fascio di elettroni con configurazione ed energia necessarie.
Acceleratore lineare* — acceleratore in cui le particelle cariche attraversano la struttura solo una volta, il che distingue l'acceleratore lineare da quello ciclico (ad esempio, LHC).
Entrambi i dispositivi STEAM ricevono impulsi terahertz da un singolo laser a luce infrarossa vicino (NIR), che attiva anche il fotocatodo di una pistola elettronica, portando a una sincronizzazione interna tra gli elettroni e i campi di accelerazione. Gli impulsi ultravioletti per l'emissione fotoelettrica sul fotocatodo sono generati attraverso due fasi consecutive GHV* della lunghezza d'onda principale della luce infrarossa vicino. Questo processo converte l'impulso laser con una lunghezza d'onda di 1020 nm prima in 510 nm e poi in 255 nm.
GHV* (generazione della seconda armonica ottica) — il processo di unione 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 raddoppiate, e una lunghezza d'onda ridotta della metà.
La parte restante del raggio laser NIR è suddivisa in 4 raggi, che vengono utilizzati per generare quattro impulsi terahertz monoscopici tramite la generazione di differenze tra le frequenze all'interno dell'impulso.
Due impulsi terahertz vengono quindi diretti a ciascun dispositivo STEAM attraverso strutture a corna simmetriche, che guidano l'energia terahertz nell'area di interazione trasversalmente 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*.
La forza di Lorentz* è la forza con cui il 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 nelle immagini 2a e 2b, all'interno di ciascun dispositivo STEAM i fasci terahertz sono separati trasversalmente da sottili fogli metallici disposti in più strati di diversa spessore, ognuno dei quali funge da guida d'onda, portando parte dell'energia totale nell'area di interazione. Sono presenti anche placche dielettriche in ciascun strato, per sincronizzare il tempo di arrivo dell'onda terahertz frontale* con il fronte degli elettroni.
Il fronte d'onda* è la superficie che ha raggiunto l'onda.
Entrambi i dispositivi STEAM operano in modalità elettrica, ovvero in modo da produrre una sovrapposizione del campo elettrico e un'attenuazione del campo magnetico al centro dell'area di interazione.
Nel primo dispositivo, gli elettroni sono temporizzati in modo tale da attraversare l'intersezione dello zero* del campo terahertz, dove i gradienti temporali del campo elettrico sono massimizzati e il campo medio è minimizzato.
Intersezione dello zero* è il punto in cui non c'è tensione.
Tale configurazione provoca l'accelerazione della coda del fascio di elettroni e il rallentamento della sua testa, il che porta a una messa a fuoco longitudinale balistica (2a e 2s).
Nel secondo dispositivo, la sincronizzazione dell'elettrone e delle radiazioni terahertz è impostata in modo che il fascio di elettroni sperimenti solo il ciclo negativo del campo elettrico terahertz. Questa configurazione porta a un'accelerazione continua pura (2b e 2d).
Un laser a radiazione NIR è simile a un sistema Yb:YLF raffreddato criogenicamente, che emette impulsi ottici della durata di 1,2 ps e un'energia di 50 mJ a una lunghezza d'onda di 1020 nm e con una frequenza di ripetizione di 10 Hz. Gli impulsi terahertz con una frequenza centrale di 0,29 terahertz (periodo di 3,44 ps) sono generati mediante il metodo dell'onda inclinata dell'impulso.
Per alimentare il compressore di fascio STEAM (buncher), sono stata utilizzate solo 2 x 50 nJ di energia terahertz, mentre per il linac STEAM (acceleratore lineare) sono stati richiesti 2 x 15 mJ.
Il diametro delle aperture di ingresso e uscita di entrambi i dispositivi STEAM è di 120 μm.
Il compressore di fascio è progettato con tre strati di uguale altezza (0,225 mm), dotati di piastre in quarzo fuso (ϵr =4,41) di lunghezza 0,42 e 0,84 mm per controllare la sincronizzazione temporale. Le altezze uguali degli strati del compressore riflettono il fatto che non avviene alcuna accelerazione (2s).
Invece, nell'acceleratore lineare le altezze sono diverse: 0,225, 0,225 e 0,250 mm (+ piastre di quarzo fuso di 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 corrisponde direttamente alla funzionalità di ciascuno dei due dispositivi. Per ottenere un grado di accelerazione più elevato, ad esempio, saranno necessari più strati e un'altra configurazione delle altezze per ottimizzare l'interazione.
Risultati di esperimenti pratici
Prima di tutto, i ricercatori ricordano che negli acceleratori tradizionali basati su radiofrequenza, l'influenza della durata temporale del fascio di elettroni inserito sulle proprietà del fascio accelerato è legata alla variazione del campo elettrico esperito durante l'interazione dai vari elettroni all'interno del fascio, che arrivano in momenti diversi. Pertanto, si può supporre che campi con un grande gradiente e fasci con una maggiore durata porteranno a una maggiore dispersione di energie. I fasci inseriti di lunga durata possono portare anche a valori più elevati. emittanza*.
Emittanza* — lo spazio delle fasi occupato da un fascio accelerato di particelle cariche.
Nel caso dell'acceleratore terahertz, il periodo del campo di eccitazione è circa 200 volte più breve. Di conseguenza, l'intensità* del campo mantenuto sarà 10 volte superiore.
L'intensità del campo elettrico* è un indicatore del campo elettrico, pari al rapporto tra la forza applicata a una carica puntiforme ferma collocata in un dato punto del campo e la grandezza di tale carica.
Pertanto, in un acceleratore terahertz, i gradienti del campo sperimentati dagli elettroni possono essere di diversi ordini di grandezza superiori rispetto a quelli di un dispositivo standard. Il tempo entro il quale la curvatura del campo è evidente sarà significativamente più breve. Da ciò deriva che la durata del fascio di elettroni inserito avrà un'influenza più marcata.
Gli scienziati hanno deciso di verificare praticamente i dati teorici. A questo scopo, hanno inserito fasci di elettroni di diversa durata, controllata tramite la compressione grazie al primo dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Immagine n. 3
Nel caso in cui il compressore non fosse collegato alla fonte di alimentazione, fasci di elettroni (55 keV) con una carica di circa 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 raggiungere durate superiori a 1000 fs (femtosecondi).
Con tale durata, il fascio di elettroni occupava circa il 60% della mezza onda del campo di accelerazione con una frequenza di 1,7 ps, il che portava a uno spettro energetico dopo l'accelerazione con un picco a 115 keV e una larghezza alla metà altezza di distribuzione dell'energia superiore a 60 keV.3a).
Per confrontare questi risultati con quelli attesi, è stata modellata una situazione di diffusione degli elettroni attraverso un acceleratore lineare, quando gli elettroni erano in fase di dissincronizzazione (ossia non coincidevano) rispetto al momento ottimale di inserimento. I calcoli per questa situazione hanno dimostrato che l'aumento dell'energia degli elettroni dipende fortemente dal momento di inserimento, fino a scale temporali sub-picosecondi (3b). Cioè, con una regolazione ottimale, l'elettrone sperimenterebbe un intero semiperiodo di accelerazione della radiazione terahertz in ogni strato (3s).
. Se tuttavia gli elettroni arrivano a tempi diversi, provano una minore accelerazione nel primo strato, il che richiede loro più tempo per attraversarlo. Successivamente, la dissincronizzazione si intensifica nei vari 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 compressione. La durata del fascio di elettroni nell'acceleratore lineare è stata ottimizzata al minimo di ~ 350 fs (larghezza alla metà) regolando l'energia terahertz fornita al compressore e cambiando l'acceleratore lineare in modalità tracciatura (4b).
Immagine n. 4
. La durata minima del fascio è stata stabilita in base alla durata dell'impulso UV del fotocathode, il cui tempo era di ~ 600 fs. Inoltre, ha giocato un ruolo importante la distanza tra il compressore e la banda, che limitava la forza di condensazione in velocità. Complessivamente, queste misure consentono di garantire un'accuratezza femtosecondo nella fase di inserimento nella fase di accelerazione.
Nell'immagine 4a si osserva che la dispersione dell'energia del fascio di elettroni compresso dopo un'accelerazione ottimizzata nell'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 l'umile dichiarazione degli scienziati, rappresentano un nuovo record di accelerazione (prima dell'accelerazione era 70 keV) nel campo dei terahertz.
Ma, per ridurre la dispersione di energia (4a), è necessario raggiungere un fascio ancora più corto.
Immagine n. 5
Nel caso di un fascio di particelle non compresso, la dipendenza parabolica della dimensione del fascio dalla corrente rivela l'emittanza trasversale nelle direzioni orizzontale e verticale: εx,n = 1,703 mm*mrad e εy,n = 1,491 mm*mrad (5а).
La compressione, a sua volta, ha migliorato l'emittanza trasversale di 6 volte fino a εx,n = 0,285 mm*mrad (orizzontale) e εy,n = 0,246 mm*mrad (verticale).
Vale la pena notare che il grado di riduzione dell'emittanza è circa il doppio rispetto al grado di riduzione della durata del fascio, il che è una misura della non linearità della dinamica di interazione nel tempo, quando gli elettroni subiscono una forte messa a fuoco e defocalizzazione del campo magnetico durante l'accelerazione (5b e 5с).
Nell'immagine 5b è evidente che gli elettroni introdotti al momento ottimale subiscono l'intero semiperiodo di accelerazione del campo elettrico. Tuttavia, gli elettroni che arrivano prima o dopo il momento ottimale subiscono un'accelerazione minore e persino una parziale decelerazione. Di conseguenza, tali elettroni ottengono meno energia, in parole povere.
Una situazione simile si osserva anche sotto l'influenza del campo magnetico. Gli elettroni introdotti al momento ottimale subiscono una quantità simmetrica di campi magnetici positivi e negativi. Se l'inserimento degli elettroni avviene prima del momento ottimale, ci sono più campi positivi e meno negativi. Nel caso in cui gli elettroni siano introdotti dopo il tempo ottimale, ci sono meno campi positivi e più negativi (5с). Tali deviazioni portano a far sì che l'elettrone possa deviazioni a sinistra, a destra, verso l'alto o verso il basso a seconda della posizione rispetto all'asse, il che porta a un aumento dell'impulso trasversale, corrispondente alla messa a fuoco o defocalizzazione del fascio.
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad essa.
Epilogo
In sintesi, le prestazioni dell'acceleratore aumenteranno con la riduzione della durata del fascio di elettroni. In questo lavoro, la durata raggiungibile del fascio è stata limitata dalla geometria dell'impianto. Tuttavia, in teoria, la durata del fascio potrebbe scendere a meno di 100 fs.
Inoltre, gli scienziati osservano 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 dell'aumento della complessità di produzione del dispositivo.
Questo lavoro rappresenta una fase iniziale di uno studio più ampio e dettagliato della versione in miniatura dell'acceleratore lineare. Nonostante 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 di lavoro a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
