小さくても大胆：新記録を打ち立てた小型線形粒子加速器

「多ければ多いほど強力である」というよく知られた原則は、科学や技術を含む社会の多くの分野で長い間確立されてきました。 しかし、現代の現実では、「小さいながらも強力」という言葉が実際に実践されることがますます一般的になりつつあります。 これは、以前は部屋全体を占めていたが、現在は子供の手のひらに収まるコンピュータと荷電粒子加速器の両方に現れています。 そうです、その印象的な寸法 (長さ 26 m) が文字通りその名前に示されている大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) を覚えていますか? したがって、DESYの科学者らによると、これはすでに過去のものであり、フルサイズの前モデルと比べて性能が劣らない小型バージョンの加速器を開発しました。 さらに、このミニ加速器は、埋め込まれた電子のエネルギーを659倍にし、テラヘルツ加速器の中で新しい世界記録を打ち立てました。 小型加速器はどのように開発されたのか、その基本原理は何なのか、そして実際の実験で何がわかったのか。 研究グループの報告書はこのことを知るのに役立つだろう。 行く。

研究根拠

ミニ加速器を開発した DESY (ドイツ電子シンクロトロン) の張東方氏とその同僚によると、超高速電子源は現代社会の生活において非常に重要な役割を果たしています。 それらの多くは、医学、エレクトロニクス開発、科学研究に登場します。 高周波発振器を使用する現在の線形加速器の最大の問題は、コストが高く、インフラが複雑で、消費電力が大きいことです。 そして、そのような欠点により、幅広いユーザーがそのようなテクノロジーを利用できることが大幅に制限されます。

これらの明白な問題は、サイズと消費電力が恐怖を引き起こさないデバイスを開発する大きな動機となります。

この業界で比較的目新しいものの中には、次のような多くの「利点」があるテラヘルツ加速器があります。

• テラヘルツ放射線の短波および短パルスは閾値を大幅に上昇させると予想されます。 壊す*、場によって引き起こされ、加速度勾配が増加します。

電気的故障* - 臨界を超える電圧が印加されると、電流強度が急激に増加します。

• 高磁場テラヘルツ放射線を発生させる効果的な方法の存在により、電子と励起磁場の内部同期が可能になります。
• このようなデバイスの作成には従来の方法を使用できますが、コスト、製造時間、サイズが大幅に削減されます。

科学者らは、同社のミリメートルスケールのテラヘルツ加速器は、現在利用可能な従来の加速器と開発中のマイクロ加速器の間の妥協点であると信じているが、寸法が非常に小さいために多くの欠点がある。

研究者らは、テラヘルツ加速技術が以前から開発されていることを否定していない。 しかし、彼らの意見では、この分野にはまだ研究、テスト、実装されていない側面がたくさんあります。

私たちが今日検討している彼らの研究では、科学者たちは STEAM の能力を実証しています (セグメント化されたテラヘルツ電子加速器およびマニピュレーター) - セグメント化されたテラヘルツ電子加速器およびマニピュレーター。 STEAM を使用すると、電子ビームの長さをサブピコ秒の継続時間まで短縮できるため、加速段階でフェムト秒の制御が可能になります。

200 MV/m (MV - メガボルト) の加速場を達成することができ、70 keV のエネルギーを持つ埋め込まれた電子ビームから 55 keV (キロ電子ボルト) を超える記録的なテラヘルツ加速をもたらしました。 このようにして、125keVまでの加速電子が得られた。

デバイスの構造と実装

画像 No. 1: 研究中のデバイスの図。

画像 No. 1-2: a - 開発された 5 層セグメント構造の図、b - 計算された加速度と電子伝播方向の比。

電子線（55keV）は、 電子銃* テラヘルツSTEAMバンチャー（ビーム圧縮機）に導入され、その後STEAMライナックに送られます（リニアアクセラレータ*).

電子銃* — 必要な構成とエネルギーの電子ビームを生成する装置。

リニアアクセラレータ* - 荷電粒子がその構造を 1 回だけ通過する加速器。これにより、線形加速器と環状加速器 (LHC など) が区別されます。

どちらの STEAM デバイスも、単一の近赤外 (NIR) レーザーからテラヘルツ パルスを受け取り、電子銃の光電陰極も点火し、電子と加速場の間で内部同期が行われます。 光電陰極での光電子放出のための紫外線パルスは、XNUMX つの連続した段階を通じて生成されます。 GVG* 近赤外線の基本波長。 このプロセスでは、1020 nm のレーザー パルスが最初に 510 nm に変換され、次に 255 nm に変換されます。

GVG* （光第二高調波発生）は、非線形材料との相互作用中に同じ周波数の光子を結合するプロセスであり、エネルギーと周波数が XNUMX 倍、波長が半分の新しい光子が形成されます。

NIR レーザー ビームの残りの部分は 4 つのビームに分割され、パルス内周波数差を生成することによって XNUMX つの単一サイクル テラヘルツ パルスを生成するために使用されます。

次に、XNUMX つのテラヘルツ パルスは、電子の伝播方向を横切って相互作用領域にテラヘルツ エネルギーを導く対称ホーン構造を介して各 STEAM デバイスに送られます。

電子が各 STEAM デバイスに入ると、電気および磁気コンポーネントにさらされます。 ローレンツ力*.

ローレンツ力* - 電磁場が荷電粒子に作用する力。

この場合、電界は加速と減速の原因となり、磁界は横方向の偏向を引き起こします。

画像 #2

画像でわかるように 2а и 2b, 各STEAMデバイスの内部では、テラヘルツビームは薄い金属シートによって横方向に厚さの異なるいくつかの層に分割され、各層が導波路として機能し、総エネルギーの一部を相互作用領域に伝達します。 テラヘルツの到達時間を調整するために、各層には誘電体プレートもあります。 波面* 電子の前で。

波面* - 波が到達した表面。

どちらの STEAM デバイスも電気モードで動作します。つまり、相互作用領域の中心に電場を印加し、磁場を抑制するような方法です。

最初のデバイスでは、電子が通過するタイミングが調整されます。 ゼロクロス* テラヘルツ場では、電場の時間勾配が最大化され、平均電場が最小化されます。

ゼロクロス* - 緊張感がないポイント。

この構成により、電子ビームの尾部が加速し、その頭部が減速し、その結果、弾道縦方向の集束が生じます (2а и 2c).

XNUMX 番目のデバイスでは、電子ビームがテラヘルツ電場の負のサイクルのみを受けるように、電子とテラヘルツ放射線の同期が設定されます。 この構成により、正味連続加速が実現します (2b и 2d).

NIR レーザーは極低温に冷却された Yb:YLF システムで、波長 1.2 nm、繰り返し率 50 Hz で持続時間 1020 ps、エネルギー 10 mJ の光パルスを生成します。 そして、傾斜パルスフロント法により中心周波数0.29テラヘルツ(周期3.44ps)のテラヘルツパルスを発生させます。

STEAMバンチャー（ビーム圧縮機）に電力を供給するために使用されたテラヘルツエネルギーはわずか2×50nJであり、STEAMライナック（線形加速器）には2×15mJが必要でした。

両方の STEAM デバイスの入口穴と出口穴の直径は 120 ミクロンです。

ビーム コンプレッサーは、同じ高さ (0 mm) の 225 つの層で設計されており、タイミングを制御するために長さ 4.41 および 0.42 mm の石英ガラス プレート (ϵr = 0.84) が装備されています。 コンプレッサー層の高さが等しいことは、加速がないという事実を反映しています (2c).

しかし、線形加速器では、高さはすでに異なります - 0.225、0.225、および0.250 mm（+溶融石英プレート0.42および0.84 mm）。 層の高さの増加は、加速中の電子の速度の増加を説明します。

科学者らは、層の数が XNUMX つのデバイスそれぞれの機能に直接関与していることに注目しています。 たとえば、より高い加速率を達成するには、相互作用を最適化するためにより多くの層と異なる高さの構成が必要になります。

実践実験結果

第一に、研究者らは、従来の高周波加速器では、埋め込まれた電子ビームの時間的範囲が加速ビームの特性に与える影響は、到達するビーム内の異なる電子の相互作用中に経験する電場の変化によるものであることを思い出させます。さまざまな時間に。 したがって、より高い勾配の磁場とより長い持続時間のビームにより、より大きなエネルギーの広がりがもたらされることが期待できます。 長時間照射されたビームも値が高くなる可能性があります エミッタンス*.

エミッタンス* — 加速された荷電粒子ビームが占める位相空間。

テラヘルツ加速器の場合、励起場の周期は約200分のXNUMXになります。 したがって、 テンション* サポートされるフィールドは 10 倍になります。

電界強度* - 電場の指標。電場の特定の点に置かれた静止点電荷に加えられる力と、この電荷の大きさの比に等しい。

したがって、テラヘルツ加速器では、電子が経験する場の勾配は、従来の装置よりも数桁大きくなる可能性があります。 像面湾曲が顕著になる時間スケールは大幅に小さくなります。 このことから、導入された電子ビームの持続時間はより顕著な影響を与えることがわかります。

科学者たちはこれらの理論を実際にテストすることにしました。 これを行うために、彼らは異なる持続時間の電子ビームを導入し、最初の STEAM デバイス (STEAM バンチャー) を使用して圧縮によって制御しました。

画像 #3

コンプレッサーが電源に接続されていない場合、約 55 fC (フェムトクーロン) の電荷を持つ電子ビーム (1 keV) が電子銃から線形加速器装置 (STEAM-linac) まで約 300 mm を通過しました。 これらの電子は、空間電荷力の影響下で最大 1000 fs (フェムト秒) を超える持続時間まで膨張する可能性があります。

この期間では、電子ビームは周波数 60 ps の加速場の半波長の約 1,7% を占め、その結果、ピークが 115 keV でエネルギー分布の半値幅を持つ加速後のエネルギー スペクトルが得られました。 60keVを超える（3а).

これらの結果を予想された結果と比較するために、電子が最適な注入時間と同期していない（つまり、同期していない）場合の線形加速器を通る電子伝播の状況をシミュレートしました。 この状況を計算すると、電子エネルギーの増加は、サブピコ秒の時間スケールに至るまで、注入の瞬間に大きく依存することがわかりました (3b）。 つまり、最適な設定では、電子は各層でテラヘルツ放射の加速の完全な半サイクルを経験します（3c).

電子が異なる時間に到着すると、最初の層での加速が小さくなり、電子が最初の層を通過するのに時間がかかります。 その後、後続のレイヤーで非同期が増加し、望ましくない速度の低下を引き起こします (3d).

電子ビームの時間的延長による悪影響を最小限に抑えるために、最初の STEAM デバイスは圧縮モードで動作しました。 線形加速器での電子ビームの継続時間は、コンプレッサーに供給されるテラヘルツエネルギーを調整し、線形加速器をハッチモードに切り替えることにより、最小約 350 fs (半値幅) に最適化されました (4b).

画像 #4

最小ビーム持続時間は、光電陰極 UV パルスの持続時間に従って設定され、約 600 fs でした。 コンプレッサーとストリップの間の距離も重要な役割を果たし、増粘力の速度を制限します。 これらの対策を組み合わせることで、加速フェーズの注入フェーズでフェムト秒の精度が可能になります。

画像上 4а 線形加速器で最適化された加速後の圧縮電子ビームのエネルギー広がりは、非圧縮電子ビームと比較して約 4 倍減少することがわかります。 加速により、圧縮されていないビームとは対照的に、圧縮されたビームのエネルギー スペクトルはより高いエネルギーの方へシフトします。 加速後のエネルギー スペクトルのピークは約 115 keV で、高エネルギーのテールは約 125 keV に達します。

科学者の控えめな声明によれば、これらの数値はテラヘルツ範囲における新しい加速記録（加速前は70keVであった）である。

しかし、エネルギーの分散を減らすために（4а)、さらに短いビームを実現する必要があります。

画像 #5

非圧縮導入ビームの場合、電流に対するビーム サイズの放物線依存性により、水平方向と垂直方向の横方向エミッタンスが明らかになります: εx,n = 1.703 mm*mrad および εy,n = 1.491 mm*mrad (5а).

圧縮により、横方向エミッタンスは 6 倍向上し、εx,n = 0,285 mm*mrad (水平) および εy,n = 0,246 mm*mrad (垂直) になりました。

エミッタンスの減少の度合いは、ビーム持続時間の減少の度合いの約 XNUMX 倍であることに注目する価値があります。これは、電子が加速中に磁場の強い集束と非集束を経験するときの時間に対する相互作用ダイナミクスの非線形性の尺度です (5b и 5c).

画像上 5b 最適なタイミングで導入された電子が電界加速の半サイクル全体を経験することがわかります。 しかし、最適な時間の前後に到着した電子は加速が鈍くなり、場合によっては部分的に減速することもあります。 大まかに言えば、そのような電子は最終的にエネルギーが少なくなります。

磁場にさらされた場合にも同様の状況が観察されます。 最適なタイミングで注入された電子は、対称量の正と負の磁場を経験します。 電子の導入が最適な時期より前に行われた場合、より多くの正の磁場が存在し、より少ない負の磁場が存在します。 電子が最適な時間よりも遅れて導入されると、正の電子が減り、負の電子が増えます (5c）。 そして、そのような偏りは、軸に対する電子の位置に応じて電子が左、右、上、または下に偏る可能性があるという事実につながり、ビームの集束または焦点ぼけに対応する横方向の運動量の増加につながります。

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告 и 追加資料 彼に。

フィナーレ

要約すると、電子ビームの持続時間が短縮されると、加速器の性能は向上します。 この作業では、達成可能なビーム持続時間は設置の形状によって制限されました。 しかし、理論的には、ビーム持続時間は 100 fs 未満に達する可能性があります。

科学者らは、層の高さを減らし、層の数を増やすことでビームの品質をさらに向上できることにも注目しています。 しかしながら、この方法には問題がないわけではなく、特にデバイスの製造の複雑さが増大する。

この研究は、線形加速器の小型バージョンのより広範で詳細な研究の初期段階です。 テストされたバージョンはすでに記録破りと呼ぶにふさわしい素晴らしい結果を示しているという事実にもかかわらず、やるべきことはまだたくさんあります。

読んでいただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、素晴らしい一週間をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com