Il principio familiare “più è più potente” è stato consolidato da tempo in molti settori della società, comprese la scienza e la tecnologia. Tuttavia, nelle realtà moderne, l'attuazione pratica del detto "piccolo ma potente" sta diventando sempre più comune. Ciò si manifesta sia nei computer, che prima occupavano un'intera stanza, ma ora stanno nel palmo di un bambino, sia negli acceleratori di particelle cariche. Sì, ricordate il Large Hadron Collider (LHC), le cui dimensioni impressionanti (26 m di lunghezza) sono letteralmente indicate nel suo nome? Quindi, questo è già un ricordo del passato, secondo gli scienziati di DESY, che hanno sviluppato una versione in miniatura dell'acceleratore, che non è inferiore in termini di prestazioni al suo predecessore a grandezza naturale. Inoltre, il mini acceleratore ha addirittura stabilito un nuovo record mondiale tra gli acceleratori terahertz, raddoppiando l'energia degli elettroni incorporati. Come è stato sviluppato l'acceleratore in miniatura, quali sono i principi fondamentali del suo funzionamento e cosa hanno dimostrato gli esperimenti pratici? Il rapporto del gruppo di ricerca ci aiuterà a scoprirlo. Andare.
Base di ricerca
Secondo Dongfang Zhang e i suoi colleghi del DESY (German Electron Synchrotron), che hanno sviluppato il mini-acceleratore, le fonti di elettroni ultraveloci svolgono un ruolo incredibilmente importante nella vita della società moderna. Molti di essi compaiono nella medicina, nello sviluppo elettronico e nella ricerca scientifica. Il problema più grande con gli attuali acceleratori lineari che utilizzano oscillatori a radiofrequenza è il loro costo elevato, l’infrastruttura complessa e l’impressionante consumo energetico. E tali carenze limitano notevolmente la disponibilità di tali tecnologie per una gamma più ampia di utenti.
Questi ovvi problemi sono un grande incentivo per sviluppare dispositivi le cui dimensioni e consumo energetico non causeranno orrore.
Tra le novità relative in questo settore ci sono gli acceleratori terahertz, che presentano una serie di “vantaggi”:
- Si prevede che le onde corte e gli impulsi brevi di radiazione terahertz aumentino significativamente la soglia guasto*, causato dal campo, che aumenterà i gradienti di accelerazione;
Guasto elettrico* - un forte aumento dell'intensità di corrente quando viene applicata una tensione superiore a quella critica.
- la presenza di metodi efficaci per generare radiazioni terahertz ad alto campo consente la sincronizzazione interna tra elettroni e campi di eccitazione;
- Per creare tali dispositivi possono essere utilizzati metodi classici, ma i loro costi, tempi di produzione e 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 microacceleratori in fase di sviluppo, ma presentano molti svantaggi a causa delle loro dimensioni molto ridotte.
I ricercatori non negano che la tecnologia di accelerazione terahertz sia in fase di sviluppo da qualche tempo. Tuttavia, a loro avviso, ci sono ancora molti aspetti in questo ambito che non sono stati studiati, testati o implementati.
Nel loro lavoro, che stiamo considerando oggi, gli scienziati dimostrano le capacità di STEAM (acceleratore e manipolatore di elettroni segmentato terahertz) - un acceleratore e manipolatore di elettroni terahertz segmentato. STEAM consente di ridurre la lunghezza del fascio di elettroni a una durata inferiore al picosecondo, fornendo così un controllo al femtosecondo sulla fase di accelerazione.
È stato possibile ottenere un campo di accelerazione di 200 MV/m (MV - megavolt), che porta ad un'accelerazione record di terahertz di > 70 keV (kiloelettronvolt) dal fascio di elettroni incorporato con un'energia di 55 keV. In questo modo si sono ottenuti elettroni accelerati fino a 125 keV.
Struttura e implementazione del dispositivo
Immagine n.1: schema del dispositivo oggetto di studio.
Immagine n. 1-2: a - diagramma della struttura segmentata a 5 strati sviluppata, b - rapporto tra l'accelerazione calcolata e la direzione della propagazione degli elettroni.
Vengono generati fasci di elettroni (55 keV). cannone elettronico* e vengono introdotti nel terahertz STEAM-buncher (compressore a fascio), dopo di che passano nello STEAM-linac (acceleratore lineare*).
Pistola elettronica* — un dispositivo per generare un fascio di elettroni della configurazione ed energia richieste.
Acceleratore lineare* - un acceleratore in cui le particelle cariche attraversano la struttura una sola volta, il che distingue un acceleratore lineare da uno ciclico (ad esempio l'LHC).
Entrambi i dispositivi STEAM ricevono impulsi terahertz da un singolo laser nel vicino infrarosso (NIR), che accende anche il fotocatodo del cannone elettronico, determinando una sincronizzazione interna tra elettroni e campi acceleranti. Gli impulsi ultravioletti per la fotoemissione al fotocatodo vengono generati attraverso due fasi successive GVG* lunghezza d'onda fondamentale della luce nel vicino infrarosso. Questo processo converte un impulso laser da 1020 nm prima in 510 nm e poi in 255 nm.
GVG* (generazione ottica della seconda armonica) è il processo di combinazione di fotoni della stessa frequenza durante l'interazione con un materiale non lineare, che porta alla formazione di nuovi fotoni con il doppio dell'energia e della frequenza, nonché metà della lunghezza d'onda.
Il resto del raggio laser NIR è suddiviso in 4 raggi, che vengono utilizzati per generare quattro impulsi terahertz a ciclo singolo generando differenze di frequenza intra-impulso.
I due impulsi terahertz vengono quindi inviati a ciascun dispositivo STEAM attraverso strutture simmetriche a tromba che dirigono l'energia terahertz nella regione di interazione attraverso la direzione della propagazione degli elettroni.
Quando gli elettroni entrano in ciascun dispositivo STEAM, sono esposti a componenti elettrici e magnetici Forze di Lorentz*.
Forza di Lorentz* - 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 le deflessioni laterali.
Immagine n. 2
Come vediamo nelle immagini 2a и 2bAll'interno di ciascun dispositivo STEAM, i fasci terahertz sono divisi trasversalmente da sottili lamine metalliche in più strati di vario spessore, ciascuno dei quali funge da guida d'onda, trasferendo parte dell'energia totale alla regione di interazione. Ci sono anche piastre dielettriche in ogni strato per coordinare il tempo di arrivo dei terahertz fronte d'onda* con il fronte degli elettroni.
Fronte d'onda* - la superficie raggiunta dall'onda.
Entrambi i dispositivi STEAM funzionano in modalità elettrica, cioè in modo tale da imporre un campo elettrico e sopprimere un campo magnetico al centro dell'area di interazione.
Nel primo dispositivo, gli elettroni sono temporizzati per passare passaggio allo zero* campo terahertz, dove i gradienti temporali del campo elettrico sono massimizzati e il campo medio è minimo.
Passaggio allo zero* - un punto dove non c'è tensione.
Questa configurazione fa sì che la coda del fascio di elettroni acceleri e la sua testa deceleri, determinando una focalizzazione balistica longitudinale (2a и 2s).
Nel secondo dispositivo, la sincronizzazione della radiazione elettronica e terahertz è impostata in modo tale che il fascio di elettroni subisca solo un ciclo negativo del campo elettrico terahertz. Questa configurazione si traduce in un'accelerazione continua netta (2b и 2d).
Il laser NIR è un sistema Yb:YLF raffreddato criogenicamente che produce impulsi ottici della durata di 1.2 ps e 50 mJ di energia ad una lunghezza d'onda di 1020 nm e una frequenza di ripetizione di 10 Hz. E gli impulsi terahertz con una frequenza centrale di 0.29 terahertz (periodo di 3.44 ps) vengono generati con il metodo del fronte di impulso inclinato.
Per alimentare lo STEAM-buncher (compressore a fascio) sono stati utilizzati solo 2 x 50 nJ di energia terahertz e lo STEAM-linac (acceleratore lineare) ha richiesto 2 x 15 mJ.
Il diametro dei fori di ingresso e uscita di entrambi i dispositivi STEAM è di 120 micron.
Il compressore a trave è progettato con tre strati di uguale altezza (0 mm), dotati di piastre di silice fusa (ϵr = 225) di lunghezza 4.41 e 0.42 mm per controllare la fasatura. Le uguali altezze degli strati del compressore riflettono il fatto che non c'è accelerazione (2s).
Ma nell'acceleratore lineare le altezze sono già diverse: 0.225, 0.225 e 0.250 mm (+ piastre di quarzo fuse 0.42 e 0.84 mm). Un aumento dell'altezza dello strato spiega l'aumento della velocità degli elettroni durante l'accelerazione.
Gli scienziati notano che il numero di strati è direttamente responsabile della funzionalità di ciascuno dei due dispositivi. Raggiungere velocità di accelerazione più elevate, ad esempio, richiederebbe più strati e diverse configurazioni di altezza per ottimizzare l’interazione.
Risultati di esperimenti pratici
Innanzitutto, i ricercatori ricordano che nei tradizionali acceleratori a radiofrequenza, l’effetto dell’estensione temporale del fascio di elettroni incorporato sulle proprietà del fascio accelerato è dovuto al cambiamento nel campo elettrico sperimentato durante l’interazione di diversi elettroni all’interno del fascio che arrivano In tempi diversi. Pertanto, ci si può aspettare che campi con gradienti più elevati e fasci con durate più lunghe porteranno ad una maggiore diffusione dell’energia. Anche raggi iniettati di lunga durata possono portare a valori più elevati emissioni*.
Emittanza* — spazio delle fasi occupato da un fascio accelerato di particelle cariche.
Nel caso di un acceleratore terahertz, il periodo del campo di eccitazione è circa 200 volte più breve. Quindi, tensione* il campo supportato sarà 10 volte superiore.
Intensità del campo elettrico* - un indicatore del campo elettrico, pari al rapporto tra la forza applicata ad una carica puntiforme stazionaria posta in un dato punto del campo e l'entità di questa carica.
Pertanto, in un acceleratore terahertz, i gradienti di campo sperimentati dagli elettroni possono essere diversi ordini di grandezza superiori rispetto a quelli di un dispositivo convenzionale. La scala temporale su cui è evidente la curvatura del campo sarà significativamente più piccola. Ne consegue che la durata del fascio di elettroni introdotto avrà un effetto più pronunciato.
Gli scienziati hanno deciso di testare queste teorie nella pratica. A tale scopo hanno introdotto fasci di elettroni di diversa durata, che sono stati controllati mediante compressione utilizzando il primo dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Immagine n. 3
Nel caso in cui il compressore non fosse collegato a una fonte di alimentazione, fasci di elettroni (55 keV) con una carica di ∼1 fC (femtocoulomb) passavano per circa 300 mm dal cannone elettronico al dispositivo acceleratore lineare (STEAM-linac). Questi elettroni potrebbero espandersi sotto l'influenza delle forze di carica spaziale fino a una durata superiore a 1000 fs (femtosecondi).
A questa durata, il fascio di elettroni occupava circa il 60% della semilunghezza d'onda del campo di accelerazione ad una frequenza di 1,7 ps, risultando in uno spettro energetico post-accelerazione con un picco a 115 keV e metà dell'ampiezza della distribuzione energetica maggiore di 60 keV (3a).
Per confrontare questi risultati con quelli attesi, è stata simulata la situazione di propagazione degli elettroni attraverso un acceleratore lineare quando gli elettroni non erano sincronizzati con (cioè non sincronizzati con) il tempo di iniezione ottimale. I calcoli di questa situazione hanno mostrato che l’aumento dell’energia degli elettroni dipende molto dal momento dell’iniezione, fino a una scala temporale inferiore al picosecondo (3b). Cioè, con un'impostazione ottimale, l'elettrone subirà un semiciclo completo di accelerazione della radiazione terahertz in ogni strato (3s).
Se gli elettroni arrivano in tempi diversi, subiscono una minore accelerazione nel primo strato, il che rende loro necessario più tempo per attraversarlo. La desincronizzazione poi aumenta negli strati successivi, causando rallentamenti indesiderati (3d).
Per minimizzare l'effetto negativo dell'estensione temporale del fascio di elettroni, il primo dispositivo STEAM funzionava in modalità compressione. La durata del fascio di elettroni sul linac è stata ottimizzata a un minimo di ~350 fs (metà larghezza) regolando l'energia terahertz fornita al compressore e commutando il linac in modalità portello (4b).
Immagine n. 4
La durata minima del raggio è stata impostata in base alla durata dell'impulso UV del fotocatodo, che era di ~ 600 fs. Anche la distanza tra il compressore e la striscia ha giocato un ruolo importante, limitando la velocità della forza di ispessimento. Insieme, queste misure consentono una precisione al femtosecondo nella fase di iniezione della fase di accelerazione.
Sull'immagine 4a si può vedere che la diffusione di energia del fascio di elettroni compresso dopo l'accelerazione ottimizzata in un acceleratore lineare diminuisce di ~ 4 volte rispetto a quello non compresso. A causa dell'accelerazione, lo spettro energetico del raggio compresso viene spostato verso energie più elevate, a differenza del raggio non compresso. Il picco dello spettro energetico dopo l'accelerazione è di circa 115 keV e la coda ad alta energia raggiunge circa 125 keV.
Queste cifre, secondo la modesta dichiarazione degli scienziati, rappresentano un nuovo record di accelerazione (prima dell'accelerazione era di 70 keV) nella gamma dei terahertz.
Ma per ridurre la dispersione energetica (4a), è necessario ottenere un raggio ancora più corto.
Immagine n. 5
Nel caso di un fascio introdotto 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 (5a).
La compressione, a sua volta, ha migliorato l’emittanza trasversale di 6 volte portandola 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 del grado di riduzione della durata del fascio, che è una misura della non linearità della dinamica di interazione con il tempo quando gli elettroni subiscono una forte focalizzazione e defocalizzazione del campo magnetico durante l’accelerazione (5b и 5s).
Sull'immagine 5b Si può vedere che gli elettroni introdotti nel momento ottimale subiscono l'intero semiciclo dell'accelerazione del campo elettrico. Ma gli elettroni che arrivano prima o dopo il momento ottimale subiscono una minore accelerazione e persino una decelerazione parziale. Tali elettroni finiscono per avere meno energia, grosso modo.
Una situazione simile si osserva quando esposto a un campo magnetico. Gli elettroni iniettati nel momento ottimale sperimentano quantità simmetriche di campi magnetici positivi e negativi. Se l’introduzione degli elettroni avvenisse prima del momento ottimale, allora ci sarebbero più campi positivi e meno campi negativi. Se gli elettroni vengono introdotti più tardi rispetto al momento ottimale, ci saranno meno positivi e più negativi (5s). E tali deviazioni portano al fatto che l'elettrone può deviare a sinistra, a destra, in alto o in basso, a seconda della sua posizione rispetto all'asse, il che porta ad un aumento della quantità di moto trasversale corrispondente alla focalizzazione o alla sfocatura del raggio.
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare и a lui.
Finale
In sintesi, le prestazioni dell’acceleratore aumenteranno se si riduce la durata del fascio di elettroni. In questo lavoro, la durata della trave ottenibile era limitata dalla geometria dell’installazione. Ma, in teoria, la durata del raggio può raggiungere meno di 100 fs.
Gli scienziati notano inoltre che la qualità del raggio può essere ulteriormente migliorata riducendo l'altezza degli strati e aumentandone il numero. Questo metodo non è però esente da problemi, in particolare aumenta la complessità di fabbricazione del dispositivo.
Questo lavoro è la fase iniziale di uno studio più ampio e dettagliato di una versione in miniatura di un acceleratore lineare. Nonostante il fatto che la versione testata stia già mostrando ottimi risultati, che possono essere giustamente definiti da record, c'è ancora molto lavoro da fare.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com