קטן אך נועז: מאיץ חלקיקים ליניארי מיניאטורי שקבע שיא חדש

העיקרון המוכר של "יותר הוא חזק יותר" התבסס זה מכבר במגזרים רבים בחברה, כולל מדע וטכנולוגיה. עם זאת, במציאות המודרנית, היישום המעשי של האמרה "קטן, אבל אדיר" הופך נפוץ יותר ויותר. זה בא לידי ביטוי הן במחשבים, שבעבר תפסו חדר שלם, אך כעת נכנסו לכף היד של ילד, והן במאיצי חלקיקים טעונים. כן, זוכרים את מאיץ ההדרונים הגדול (LHC), שמידותיו המרשימות (26 מ' אורך) מצוינות ממש בשמו? אז, זה כבר נחלת העבר על פי מדענים מ-DESY, שפיתחו גרסה מיניאטורית של המאיץ, שאינה נחותה בביצועים מקודמו בגודל מלא. יתרה מכך, המאיץ המיני אף קבע שיא עולמי חדש בקרב מאיצי טרה-הרץ, והכפיל את האנרגיה של האלקטרונים המוטבעים. כיצד פותח המאיץ המיניאטורי, מהם העקרונות הבסיסיים של פעולתו, ומה הראו ניסויים מעשיים? הדו"ח של קבוצת המחקר יעזור לנו לברר זאת. ללכת.

בסיס מחקר

לדברי דונגפאנג ​​ג'אנג ועמיתיו ב-DESY (סינכרוטרון אלקטרון גרמני), שפיתחו את המיני-מאיץ, מקורות אלקטרונים מהירים במיוחד ממלאים תפקיד חשוב להפליא בחיי החברה המודרנית. רבים מהם מופיעים ברפואה, פיתוח אלקטרוניקה ומחקר מדעי. הבעיה הגדולה ביותר עם מאיצים ליניאריים הנוכחיים המשתמשים במתנדים בתדר רדיו היא העלות הגבוהה שלהם, התשתית המורכבת וצריכת החשמל המרשימה. וחסרונות כאלה מגבילים מאוד את הזמינות של טכנולוגיות כאלה למגוון רחב יותר של משתמשים.

הבעיות הברורות הללו מהוות תמריץ גדול לפתח מכשירים שגודלם וצריכת החשמל שלהם לא יגרמו אימה.

בין החידושים היחסיים בענף זה ניתן למנות מאיצי טרה-הרץ, שיש להם מספר "יתרונות":

• צפוי שגלים קצרים ופולסים קצרים של קרינת טרה-הרץ יעלו משמעותית את הסף התקלקל*, הנגרם על ידי השדה, שיגדיל את שיפוע התאוצה;

תקלה חשמלית* - עלייה חדה בחוזק הזרם כאשר מופעל מתח מעל קריטי.

• נוכחותן של שיטות יעילות להפקת קרינת טרה-הרץ בשדה גבוה מאפשרת סנכרון פנימי בין אלקטרונים ושדות עירור;
• ניתן להשתמש בשיטות קלאסיות ליצירת מכשירים כאלה, אך העלות, זמן הייצור והגודל שלהם יצטמצמו מאוד.

מדענים מאמינים כי מאיץ הטרה-הרץ שלהם בקנה מידה מילימטר הוא פשרה בין מאיצים קונבנציונליים שקיימים כיום לבין מיקרו-מאיצים שנמצאים בפיתוח, אך יש להם חסרונות רבים בשל מימדיהם הקטנים מאוד.

החוקרים אינם מכחישים שטכנולוגיית האצת טרה-הרץ נמצאת בפיתוח כבר זמן מה. עם זאת, לדעתם, ישנם עדיין היבטים רבים בתחום זה שלא נחקרו, נבדקו או יושמו.

בעבודתם, שאנו שוקלים היום, מדענים מדגימים את היכולות של STEAM (מאיץ אלקטרונים ומניפולטור מפולח של terahertz) - מאיץ אלקטרונים ומניפולטור מסוג Terahertz מפולח. STEAM מאפשר להקטין את אורך אלומת האלקטרונים למשך תת-פיקושניות, ובכך לספק שליטה בפמטו-שניות על שלב התאוצה.

ניתן היה להשיג שדה תאוצה של 200 MV/m (MV - מגה-וולט), מה שמוביל לתאוצת טרה-הרץ שיא של > 70 keV (kiloelectronvolt) מקרן האלקטרונים המוטבעת באנרגיה של 55 keV. בדרך זו התקבלו אלקטרונים מואצים עד 125 keV.

מבנה ויישום המכשיר

תמונה מס' 1: תרשים של המכשיר הנבדק.

תמונה מס' 1-2: א - דיאגרמה של המבנה המפולח בן 5 השכבות המפותחות, b - יחס התאוצה המחושבת וכיוון התפשטות האלקטרונים.

אלומות אלקטרונים (55 keV) נוצרות מ אקדח אלקטרונים* ומוכנסים ל- terahertz STEAM-buncher (מדחס קרן), ולאחר מכן הם עוברים לתוך STEAM-linac (מאיץ ליניארי*).

רובה אלקטרונים* - מכשיר להפקת אלומת אלקטרונים בתצורה ובאנרגיה הנדרשים.

מאיץ ליניארי* - מאיץ שבו חלקיקים טעונים עוברים דרך המבנה פעם אחת בלבד, מה שמבדיל מאיץ ליניארי ממחזורי (לדוגמה, LHC).

שני מכשירי ה-STEAM מקבלים פעימות טרה-הרץ מלייזר אחד כמעט אינפרא אדום (NIR), אשר יורה גם את הפוטוקתודה של רובה האלקטרונים, וכתוצאה מכך סנכרון פנימי בין אלקטרונים ושדות מאיצים. פולסים אולטרה סגולים לפליטת פוטו בפוטוקתודה נוצרים בשני שלבים עוקבים GVG* אורך גל בסיסי של אור קרוב לאינפרא אדום. תהליך זה ממיר דופק לייזר של 1020 ננומטר תחילה ל-510 ננומטר ולאחר מכן ל-255 ננומטר.

GVG* (דור הרמוני שני אופטי) הוא תהליך של שילוב פוטונים מאותו תדר במהלך אינטראקציה עם חומר לא ליניארי, מה שמוביל ליצירת פוטונים חדשים עם אנרגיה ותדר כפולים, כמו גם מחצית מאורך הגל.

שאר קרן הלייזר NIR מפוצלת ל-4 אלומות, המשמשות ליצירת ארבע פולסי טרה-הרץ במחזור אחד על ידי יצירת הפרשי תדר תוך-פולסים.

שני פולסי הטרה-הרץ מועברים לאחר מכן לכל מכשיר STEAM דרך מבני קרן סימטריים המכוונים את אנרגיית ה-Terahertz לאזור האינטראקציה על פני כיוון התפשטות האלקטרונים.

כאשר אלקטרונים נכנסים לכל מכשיר STEAM, הם נחשפים לרכיבים חשמליים ומגנטיים כוחות לורנץ*.

כוח לורנץ* - הכוח שבו פועל השדה האלקטרומגנטי על חלקיק טעון.

במקרה זה, השדה החשמלי אחראי על האצה וההאטה, והשדה המגנטי גורם להטיות לרוחב.

תמונה מס' 2

כפי שאנו רואים בתמונות 2а и 2b, בתוך כל מכשיר STEAM, קורות ה-terahertz מחולקות לרוחב על ידי יריעות מתכת דקות למספר שכבות בעובי משתנה, שכל אחת מהן פועלת כמוביל גל, ומעבירה חלק מהאנרגיה הכוללת לאזור האינטראקציה. יש גם לוחות דיאלקטריים בכל שכבה כדי לתאם את זמן ההגעה של הטרה-הרץ חזית גל* עם החזית של אלקטרונים.

חזית גל* - פני השטח שאליו הגיע הגל.

שני מכשירי ה-STEAM פועלים במצב חשמלי, כלומר, באופן שכופה שדה חשמלי ומדכא שדה מגנטי במרכז אזור האינטראקציה.

במכשיר הראשון, אלקטרונים מתוזמן לעבור דרכו חציית אפס* שדה terahertz, שבו שיפועים זמן של השדה החשמלי מוגדלים והשדה הממוצע ממוזער.

אפס מעבר* - נקודה שבה אין מתח.

תצורה זו גורמת לזנב קרן האלקטרונים להאיץ ולראשה להאט, וכתוצאה מכך למיקוד אורכי בליסטי (2а и 2c).

במכשיר השני, הסנכרון של קרינת האלקטרון והטרהרץ מוגדר כך שקרן האלקטרונים חווה רק מחזור שלילי של השדה החשמלי של הטרה-הרץ. תצורה זו גורמת להאצה רציפה נטו (2b и 2d).

הלייזר NIR דומה למערכת Yb:YLF מקוררת קריוגנית, המפיקה פולסים אופטיים של 1.2 ps משך זמן ואנרגיה של 50 mJ באורך גל של 1020 ננומטר וקצב חזרות של 10 הרץ. ופולסי terahertz עם תדר מרכזי של 0.29 terahertz (תקופה של 3.44 ps) נוצרים בשיטת חזית הדופק המשופע.

כדי להפעיל את ה-STEAM-buncher (מדחס קרן) נעשה שימוש רק ב-2 x 50 nJ של אנרגיית טרה-הרץ, וה-STEAM-linac (מאיץ ליניארי) דרש 2 x 15 mJ.

הקוטר של חורי הכניסה והיציאה של שני מכשירי ה-STEAM הוא 120 מיקרון.

מדחס הקורה מתוכנן עם שלוש שכבות בגובה שווה (0 מ"מ), אשר מצוידות בפלטות סיליקה מותכות (ϵr = 225) באורך 4.41 ו-0.42 מ"מ לשליטה בתזמון. הגבהים השווים של שכבות המדחס משקפים את העובדה שאין תאוצה (2c).

אבל במאיץ הליניארי הגבהים כבר שונים - 0.225, 0.225 ו-0.250 מ"מ (+ לוחות קוורץ התמזגו 0.42 ו-0.84 מ"מ). עלייה בגובה השכבה מסבירה את העלייה במהירות האלקטרונים בזמן האצה.

מדענים מציינים שמספר השכבות אחראי ישירות על הפונקציונליות של כל אחד משני המכשירים. השגת קצבי האצה גבוהים יותר, למשל, תדרוש יותר שכבות ותצורות גובה שונות כדי לייעל את האינטראקציה.

תוצאות של ניסויים מעשיים

ראשית, החוקרים מזכירים כי במאיצי תדרי רדיו מסורתיים, השפעת ההיקף הזמני של אלומת האלקטרונים המוטבעת על תכונות האלומה המואצת נובעת מהשינוי בשדה החשמלי הנחווה במהלך האינטראקציה של אלקטרונים שונים בתוך האלומה המגיעה. בזמנים אחרים. לפיכך, ניתן לצפות ששדות בעלי שיפועים גבוהים יותר ואלומות עם משך זמן ארוך יותר יובילו לפיזור אנרגיה גדול יותר. אלומות מוזרקות באורך ארוך יכולות גם להוביל לערכים גבוהים יותר פליטות*.

פליטה* - חלל פאזה שנכבש על ידי אלומה מואצת של חלקיקים טעונים.

במקרה של מאיץ טרה-הרץ, תקופת שדה העירור קצרה פי 200 בערך. לָכֵן, מתח* השדה הנתמך יהיה גבוה פי 10.

חוזק שדה חשמלי* - אינדיקטור של השדה החשמלי, שווה ליחס הכוח המופעל על מטען נקודתי נייח המוצב בנקודה נתונה בשדה לגודל מטען זה.

לפיכך, במאיץ טרה-הרץ, שיפוע השדה שחווים אלקטרונים יכולים להיות גבוהים בכמה סדרי גודל מאשר במכשיר רגיל. סולם הזמן בו ניכרת עקמומיות השדה יהיה קטן משמעותית. מכאן נובע שלמשך קרן האלקטרונים המוכנסת תהיה השפעה בולטת יותר.

מדענים החליטו לבדוק את התיאוריות הללו בפועל. לשם כך הם הציגו קרני אלקטרונים באורך שונה, אשר נשלטו על ידי דחיסה באמצעות מכשיר ה-STEAM הראשון (STEAM-buncher).

תמונה מס' 3

במקרה בו המדחס לא היה מחובר למקור מתח, אלומות אלקטרונים (55 keV) עם מטען של ~1 fC (femtoculomb) עברו כ-300 מ"מ מאקדח האלקטרונים למכשיר המאיץ הליניארי (STEAM-linac). אלקטרונים אלה יכולים להתרחב בהשפעת כוחות מטען בחלל עד למשך של יותר מ-1000 fs (פמט-שניות).

בזמן זה, אלומת האלקטרונים תפסה כ-60% מחצי אורך הגל של השדה המאיץ בתדר של 1,7 ps, וכתוצאה מכך ספקטרום אנרגיה לאחר האצה עם שיא ב-115 keV וחצי רוחב של חלוקת האנרגיה. יותר מ-60 keV (3а).

כדי להשוות תוצאות אלו לאלו הצפויות, בוצע הדמיה של מצב התפשטות האלקטרונים באמצעות מאיץ ליניארי כאשר האלקטרונים לא היו מסונכרנים עם (כלומר, לא מסונכרנים עם) זמן ההזרקה האופטימלי. חישובים של מצב זה הראו שהעלייה באנרגיית האלקטרונים תלויה מאוד ברגע ההזרקה, עד לסולם זמן של תת-פיקוסות (3b). כלומר, עם הגדרה אופטימלית, האלקטרון יחווה חצי מחזור מלא של האצת קרינת טרה-הרץ בכל שכבה (3c).

אם האלקטרונים מגיעים בזמנים שונים, הם חווים פחות תאוצה בשכבה הראשונה, מה שגורם להם לקחת יותר זמן לעבור דרכה. ביטול הסנכרון גדל אז בשכבות הבאות, מה שגורם להאטה לא רצויה (3d).

על מנת למזער את ההשפעה השלילית של ההרחבה הזמנית של קרן האלקטרונים, מכשיר ה-STEAM הראשון פעל במצב דחיסה. משך קרן האלקטרונים בלינק עבר אופטימיזציה למינימום של ~350 fs (חצי רוחב) על ידי כוונון אנרגיית הטרה-הרץ המסופקת למדחס והחלפת ה-linac למצב בוקעים (4b).

תמונה מס' 4

משך האלומה המינימלי נקבע בהתאם למשך פולס ה-UV הפוטוקטודי, שהיה ~600 fs. גם למרחק בין המדחס לרצועה היה תפקיד חשוב שהגביל את מהירות כוח העיבוי. יחד, אמצעים אלו מאפשרים דיוק פמטו-שניות בשלב ההזרקה של שלב ההאצה.

על התמונה 4а ניתן לראות שהתפשטות האנרגיה של קרן האלקטרונים הדחוסה לאחר האצה מיטבית במאיץ ליניארי יורדת פי ~ 4 בהשוואה לזו הלא דחוסה. עקב האצה, ספקטרום האנרגיה של האלומה הדחוסה מוסט לכיוון אנרגיות גבוהות יותר, בניגוד לקרן הלא דחוסה. שיא ספקטרום האנרגיה לאחר האצה הוא כ-115 keV, והזנב בעל האנרגיה הגבוהה מגיע לכ-125 keV.

הנתונים הללו, לפי ההצהרה הצנועה של מדענים, הם שיא תאוצה חדש (לפני התאוצה זה היה 70 keV) בתחום הטרה-הרץ.

אבל על מנת להפחית את פיזור האנרגיה (4а), יש להשיג אלומה קצרה עוד יותר.

תמונה מס' 5

במקרה של קרן מוכנסת לא דחוסה, התלות הפרבולית של גודל האלומה בזרם חושפת את הפליטה הרוחבית בכיוונים האופקיים והאנכיים: εx,n = 1.703 מ"מ*mrad ו-εy,n = 1.491 מ"מ*mrad (5а).

הדחיסה, בתורה, שיפרה את הפליטה הרוחבית פי 6 ל-εx,n = 0,285 מ"מ*mrad (אופקי) ו-εy,n = 0,246 מ"מ*mrad (אנכית).

ראוי לציין שמידת הפחתת הפליטה גדולה פי שניים בערך ממידת הפחתת משך האלומה, שהיא מדד לאי-ליניאריות של דינמיקת האינטראקציה עם הזמן כאשר אלקטרונים חווים מיקוד חזק וביטול מיקוד של השדה המגנטי במהלך האצה (5b и 5c).

על התמונה 5b ניתן לראות כי אלקטרונים המוכנסים בזמן האופטימלי חווים את כל חצי המחזור של תאוצת השדה החשמלי. אבל אלקטרונים שמגיעים לפני או אחרי הזמן האופטימלי חווים פחות תאוצה ואפילו האטה חלקית. אלקטרונים כאלה בסופו של דבר עם פחות אנרגיה, בערך.

מצב דומה נצפה בעת חשיפה לשדה מגנטי. אלקטרונים המוזרקים בזמן האופטימלי חווים כמויות סימטריות של שדות מגנטיים חיוביים ושליליים. אם החדרת אלקטרונים התרחשה לפני הזמן האופטימלי, אז היו יותר שדות חיוביים ופחות שליליים. אם אלקטרונים יוכנסו מאוחר יותר מהזמן האופטימלי, יהיו פחות חיוביים ויותר שליליים (5c). וסטיות כאלה מובילות לעובדה שהאלקטרון יכול לסטות שמאלה, ימינה, למעלה או למטה, בהתאם למיקומו ביחס לציר, מה שמוביל לעלייה במומנטום הרוחבי המקביל למיקוד או ביטול המיקוד של הקרן.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים и חומרים נוספים אליו.

אפילוג

לסיכום, ביצועי המאיץ יגדלו אם משך קרן האלקטרונים יקטן. בעבודה זו, משך האלומה שניתן להשיג הוגבל על ידי הגיאומטריה של המתקן. אבל, בתיאוריה, משך האלומה יכול להגיע לפחות מ-100 fs.

מדענים מציינים גם שניתן לשפר עוד יותר את איכות הקורה על ידי הקטנת גובה השכבות והגדלת מספרן. עם זאת, שיטה זו אינה נטולת בעיות, במיוחד הגדלת המורכבות של ייצור המכשיר.

עבודה זו היא השלב הראשוני של מחקר נרחב ומפורט יותר של גרסה מיניאטורית של מאיץ ליניארי. למרות העובדה שהגרסה שנבדקה כבר מציגה תוצאות מצוינות, שאפשר לכנותן בצדק שוברת שיאים, יש עוד הרבה עבודה לעשות.

תודה שקראתם, תהיו סקרנים ושבוע טוב חברים! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com