Prinsip akrab "liyane luwih kuat" wis suwe ditetepake ing pirang-pirang sektor masyarakat, kalebu ilmu pengetahuan lan teknologi. Nanging, ing kasunyatan modern, implementasine praktis saka paribasan "cilik, nanging kuwat" dadi luwih umum. Iki dicethakaké loro ing komputer, kang sadurunge njupuk munggah kabeh kamar, nanging saiki pas ing lontar saka anak, lan ing daya akselerator partikel. Ya, elinga Large Hadron Collider (LHC), sing ukurane nyengsemaken (26 m dawane) kanthi harfiah dituduhake ing jenenge? Dadi, iki wis dadi jaman kepungkur, miturut para ilmuwan saka DESY, sing wis ngembangake versi miniatur akselerator, sing ora kalah karo kinerja sadurunge. Kajaba iku, akselerator mini malah nyetel rekor donya anyar antarane akselerator terahertz, tikel energi elektron ditempelake. Kepiye akselerator miniatur dikembangake, apa prinsip dhasar operasine, lan apa sing ditampilake eksperimen praktis? Laporan klompok riset bakal mbantu kita ngerteni babagan iki. Tindak.
Basis riset
Miturut Dongfang Zhang lan kanca-kancane ing DESY (Jerman Electron Synchrotron), sing ngembangake mini-akselerator, sumber elektron ultrafast nduweni peran sing luar biasa penting ing urip masyarakat modern. Akeh sing katon ing obat, pangembangan elektronik lan riset ilmiah. Masalah paling gedhe karo akselerator linier saiki nggunakake osilator frekuensi radio yaiku biaya sing dhuwur, infrastruktur sing kompleks, lan konsumsi daya sing apik banget. Lan kekurangan kasebut mbatesi kasedhiyan teknologi kasebut kanggo pangguna sing luwih akeh.
Masalah sing jelas iki minangka insentif sing apik kanggo ngembangake piranti sing ukurane lan konsumsi daya ora bakal nyebabake medeni.
Antarane barang anyar ing industri iki yaiku akselerator terahertz, sing duwe sawetara "manfaat":
- Dikarepake yen gelombang cendhak lan pulsa cendhak radiasi terahertz bakal nambah batesan kanthi signifikan rusak*, disebabake lapangan, sing bakal nambah gradien akselerasi;
Kerusakan listrik * - Tambah tajem ing kekuatan saiki nalika voltase ndhuwur kritis ditrapake.
- anané cara sing efektif kanggo ngasilake radiasi terahertz lapangan dhuwur ngidini sinkronisasi internal antarane elektron lan medan eksitasi;
- Cara klasik bisa digunakake kanggo nggawe piranti kasebut, nanging biaya, wektu produksi lan ukuran bakal suda banget.
Para ilmuwan percaya yen akselerator terahertz skala milimeter minangka kompromi antarane akselerator konvensional sing saiki kasedhiya lan mikro-akselerator sing dikembangake, nanging duwe akeh kekurangan amarga ukurane sing cilik banget.
Peneliti ora mbantah manawa teknologi akselerasi terahertz wis dikembangake sawetara wektu. Nanging, miturut panemune, isih akeh aspek ing wilayah iki sing durung ditliti, diuji utawa ditindakake.
Ing karyane, sing lagi dipikirake saiki, para ilmuwan nuduhake kemampuan STEAM (akselerator lan manipulator elektron terahertz) - akselerator elektron terahertz lan manipulator. STEAM ndadekake bisa nyuda dawa sinar elektron dadi sub-picosecond, saéngga nyedhiyakake kontrol femtosecond ing fase akselerasi.
Sampeyan bisa entuk lapangan akselerasi 200 MV / m (MV - megavolt), sing ndadékaké akselerasi terahertz rekaman> 70 keV (kiloelectronvolt) saka sinar elektron sing dipasang kanthi energi 55 keV. Kanthi cara iki, elektron sing dipercepat nganti 125 keV dijupuk.
Struktur lan implementasine piranti
Gambar No.. 1: diagram piranti sing diteliti.
Gambar No. 1-2: a - diagram struktur segmen 5-lapisan sing dikembangake, b - rasio percepatan sing diitung lan arah panyebaran elektron.
Balok elektron (55 keV) diasilake saka gun elektron * lan dilebokake menyang terahertz STEAM-buncher (kompresor balok), sawise iku mlebu menyang STEAM-linac (akselerator linear *).
Elektron gun* - piranti kanggo ngasilake sinar elektron saka konfigurasi lan energi sing dibutuhake.
Akselerator linear * - akselerator kang partikel daya liwat struktur mung sapisan, kang mbedakake akselerator linear saka siji siklik (contone, LHC).
Kaloro piranti STEAM nampa pulsa terahertz saka laser cedhak-infra merah (NIR) siji, sing uga murub photocathode bedhil elektron, sing nyebabake sinkronisasi internal antarane elektron lan medan akselerasi. Pulsa ultraviolet kanggo fotoemisi ing photocathode diasilake liwat rong tahap berturut-turut GVG* dawa gelombang dhasar cahya infra merah cedhak. Proses iki ngowahi pulsa laser 1020 nm pisanan dadi 510 nm lan banjur dadi 255 nm.
GVG* (generasi harmonik kapindho optik) yaiku proses nggabungake foton kanthi frekuensi sing padha sajrone interaksi karo materi nonlinier, sing ndadékaké pambentukan foton anyar kanthi energi lan frekuensi kaping pindho, uga setengah dawa gelombang.
Sisa sinar laser NIR dipérang dadi 4 sinar, sing digunakake kanggo ngasilake papat pulsa terahertz siklus siji kanthi ngasilake beda frekuensi intra-pulsa.
Loro pulsa terahertz banjur dikirim menyang saben piranti STEAM liwat struktur sungu simetris sing ngarahake energi terahertz menyang wilayah interaksi ngliwati arah propagasi elektron.
Nalika èlèktron mlebu ing saben piranti STEAM, padha kapapar komponen listrik lan magnetik Pasukan Lorentz*.
Pasukan Lorentz* - gaya sing ditindakake dening medan elektromagnetik ing partikel sing diisi daya.
Ing kasus iki, medan listrik tanggung jawab kanggo akselerasi lan deceleration, lan medan magnet nyebabake defleksi lateral.
Gambar #2
Kaya sing kita deleng ing gambar kasebut 2a и 2b, Ing saben piranti STEAM, balok terahertz dipérang sacara transversal dening lembaran logam tipis dadi sawetara lapisan kanthi kekandelan sing beda-beda, saben-saben tumindak minangka pandu arah, nransfer bagéan saka total energi menyang wilayah interaksi. Ana uga piring dielektrik ing saben lapisan kanggo koordinasi wektu tekan terahertz ngarep ombak* karo ngarep elektron.
Wavefront* - lumahing sing gelombang wis tekan.
Kaloro piranti STEAM kasebut beroperasi ing mode listrik, yaiku, kanthi cara ngetrapake medan listrik lan nyuda medan magnet ing tengah area interaksi.
Ing piranti pisanan, elektron diwenehi wektu kanggo ngliwati nul nyebrang* lapangan terahertz, ing ngendi gradien wektu medan listrik dimaksimalake lan lapangan rata-rata diminimalisir.
Zero crossing* - titik sing ora ana ketegangan.
Konfigurasi iki njalari buntut berkas elektron akselerasi lan endhasé mudhun, njalari fokus longitudinal balistik (2a и 2).
Ing piranti kapindho, sinkronisasi elektron lan radiasi terahertz disetel supaya sinar elektron mung ngalami siklus negatif saka medan listrik terahertz. Konfigurasi iki ngasilake percepatan terus-terusan net (2b и 2d).
Laser NIR minangka sistem Yb:YLF sing didinginake kanthi kriogenik sing ngasilake pulsa optik kanthi durasi 1.2 ps lan energi 50 mJ kanthi dawa gelombang 1020 nm lan tingkat pengulangan 10 Hz. Lan pulsa terahertz kanthi frekuensi tengah 0.29 terahertz (periode 3.44 ps) digawe kanthi metode ngarep pulsa miring.
Kanggo daya STEAM-buncher (kompresor balok) mung 2 x 50 nJ energi terahertz digunakake, lan STEAM-linac (akselerator linear) dibutuhake 2 x 15 mJ.
Dhiameter bolongan inlet lan outlet loro piranti STEAM yaiku 120 mikron.
Kompresor balok dirancang kanthi telung lapisan kanthi dhuwur sing padha (0 mm), sing dilengkapi piring silika sing digabung (ϵr = 225) kanthi dawa 4.41 lan 0.42 mm kanggo ngontrol wektu. Dhuwur sing padha saka lapisan kompresor nggambarake kasunyatan manawa ora ana akselerasi (2).
Nanging ing akselerator linear dhuwur wis beda - 0.225, 0.225 lan 0.250 mm (+ piring kuarsa nyawiji 0.42 lan 0.84 mm). Tambah ing dhuwur saka lapisan nerangake Tambah ing kacepetan elektron sak akselerasi.
Ilmuwan nyathet yen jumlah lapisan tanggung jawab langsung kanggo fungsi saben rong piranti kasebut. Kanggo entuk tingkat akselerasi sing luwih dhuwur, umpamane, mbutuhake luwih akeh lapisan lan konfigurasi dhuwur sing beda kanggo ngoptimalake interaksi.
Asil eksperimen praktis
Kaping pisanan, peneliti ngelingake yen ing akselerator frekuensi radio tradisional, efek saka ombone temporal sinar elektron sing ditempelake ing sifat sinar sing digawe cepet amarga owah-owahan ing medan listrik sing dialami sajrone interaksi elektron sing beda-beda ing sinar sing teka. ing wektu sing beda-beda. Mangkono, bisa diarepake yen lapangan kanthi gradien lan sinar sing luwih dhuwur kanthi durasi sing luwih dawa bakal nyebabake panyebaran energi sing luwih gedhe. Balok sing disuntikake kanthi durasi dawa uga bisa nyebabake nilai sing luwih dhuwur emitans*.
Emitansi* - ruang fase sing dikuwasani dening sinar sing dipercepat saka partikel sing diisi.
Ing kasus akselerator terahertz, periode lapangan eksitasi kira-kira 200 kaping luwih cendhek. Mula, tegang* lapangan didhukung bakal 10 kaping luwih.
Kekuwatan medan listrik * - indikator medan listrik, padha karo rasio gaya sing ditrapake kanggo muatan titik stasioner sing diselehake ing titik tartamtu ing lapangan kanthi gedhene muatan iki.
Dadi, ing akselerator terahertz, gradien lapangan sing dialami elektron bisa dadi pirang-pirang ordo magnitudo sing luwih dhuwur tinimbang ing piranti konvensional. Skala wektu sing katon lengkungan lapangan bakal luwih cilik. Saka iki, durasi sinar elektron sing dienalake bakal duwe efek sing luwih jelas.
Para ilmuwan mutusake kanggo nguji teori kasebut ing praktik. Kanggo nindakake iki, padha ngenalaken berkas elektron saka durasi beda, kang padha kontrol dening komprèsi nggunakake piranti STEAM pisanan (STEAM-buncher).
Gambar #3
Ing kasus ing ngendi kompresor ora disambungake menyang sumber daya, balok elektron (55 keV) kanthi muatan ~1 fC (femtocoulomb) liwati kira-kira 300 mm saka bedhil elektron menyang piranti akselerator linear (STEAM-linac). Elektron-elektron iki bisa nggedhekake ing pangaribawa daya pangisi daya ruang nganti luwih saka 1000 fs (femtodetik).
Ing wektu iki, sinar elektron manggoni kira-kira 60% saka setengah dawa gelombang medan akselerasi kanthi frekuensi 1,7 ps, ngasilake spektrum energi pasca-akselerasi kanthi puncak ing 115 keV lan setengah jembar distribusi energi. luwih saka 60 keV (3a).
Kanggo mbandhingake asil kasebut karo sing diarepake, kahanan panyebaran elektron liwat akselerator linier disimulasikan nalika elektron ora sinkron karo (yaiku, ora sinkron karo) wektu injeksi sing optimal. Petungan saka kahanan iki nuduhake yen paningkatan energi elektron gumantung banget marang momen injeksi, nganti skala wektu subpicosecond (3b). Tegese, kanthi setelan optimal, elektron bakal ngalami setengah siklus lengkap percepatan radiasi terahertz ing saben lapisan (3).
Yen elektron teka ing wektu sing beda-beda, padha ngalami kurang percepatan ing lapisan pisanan, kang ndadekake wong njupuk wektu maneh kanggo lelungan liwat. Desynchronization banjur mundhak ing lapisan ing ngisor iki, nyebabake slowdown sing ora dikarepake (3d).
Kanggo nyilikake efek negatif saka extension temporal sinar elektron, piranti STEAM pisanan dioperasikake ing mode kompresi. Durasi sinar elektron ing linac dioptimalake nganti paling sethithik ~350 fs (setengah lebar) kanthi nyetel energi terahertz sing diwenehake menyang kompresor lan ngoper linac menyang mode hatch (4b).
Gambar #4
Durasi sinar minimal disetel sesuai karo durasi pulsa UV photocathode, yaiku ~ 600 fs. Jarak antarane kompresor lan strip uga nduweni peran penting, sing mbatesi kacepetan gaya penebalan. Bebarengan, langkah-langkah kasebut mbisakake presisi femtosecond ing fase injeksi fase akselerasi.
Ing gambar 4a bisa dideleng manawa panyebaran energi sinar elektron sing dikompres sawise akselerasi sing dioptimalake ing akselerator linier mudhun ~ 4 kaping dibandhingake karo sing ora dikompres. Amarga akselerasi, spektrum energi saka balok sing dikompres dialihake menyang energi sing luwih dhuwur, beda karo sinar sing ora dikompres. Puncak spektrum energi sawise akselerasi kira-kira 115 keV, lan buntut energi dhuwur tekan udakara 125 keV.
Angka kasebut, miturut pernyataan para ilmuwan sing sederhana, minangka rekor akselerasi anyar (sadurunge akselerasi 70 keV) ing kisaran terahertz.
Nanging kanggo nyuda dispersi energi (4a), sinar sing luwih cendhek kudu digayuh.
Gambar #5
Ing kasus balok sing ora dikompres, katergantungan parabola saka ukuran balok ing arus kasebut nuduhake emitansi transversal ing arah horisontal lan vertikal: εx,n = 1.703 mm*mrad lan εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresi, banjur nambah emitansi transversal kanthi kaping 6 dadi εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) lan εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Wigati dicathet yen tingkat pengurangan emitansi kira-kira kaping pindho luwih gedhe tinimbang tingkat pengurangan durasi balok, yaiku ukuran nonlinearitas dinamika interaksi karo wektu nalika elektron ngalami fokus lan defocusing medan magnet sing kuat sajrone percepatan (5b и 5).
Ing gambar 5b Bisa dideleng yen elektron sing dienalake ing wektu sing optimal ngalami setengah siklus percepatan medan listrik. Nanging elektron sing teka sadurunge utawa sawise wektu optimal ngalami akselerasi kurang lan malah deceleration parsial. Elektron kaya ngono bakal dadi kurang energi, kira-kira.
Kahanan sing padha diamati nalika kena medan magnet. Elektron sing disuntikake ing wektu optimal ngalami jumlah simetris saka medan magnet positif lan negatif. Yen introduksi elektron kedadean sadurunge wektu optimal, banjur ana liyane kolom positif lan kurang negatif. Yen elektron ditepungake luwih suwe tinimbang wektu optimal, bakal luwih sithik positif lan luwih negatif (5). Lan panyimpangan kasebut nyebabake kasunyatan manawa elektron bisa nyimpang ngiwa, nengen, munggah utawa mudhun, gumantung saka posisi relatif menyang sumbu, sing ndadékaké paningkatan momentum transversal sing cocog karo fokus utawa defocusing balok.
Kanggo kenalan sing luwih rinci karo nuansa sinau, aku nyaranake ndeleng и kanggo dheweke.
Epilogue
Ing ringkesan, kinerja akselerator bakal mundhak yen durasi berkas elektron suda. Ing karya iki, durasi balok sing bisa ditindakake diwatesi kanthi geometri instalasi. Nanging, ing teori, durasi beam bisa tekan kurang saka 100 fs.
Para ilmuwan uga nyathet yen kualitas balok bisa luwih apik kanthi ngurangi dhuwur lapisan lan nambah jumlahe. Nanging, cara iki ora tanpa masalah, utamane nambah kerumitan manufaktur piranti kasebut.
Karya iki minangka tahap awal saka studi sing luwih lengkap lan rinci babagan versi miniatur akselerator linier. Senadyan kasunyatan manawa versi sing dites wis nuduhake asil sing apik, sing bisa diarani mecah rekor, isih akeh sing kudu ditindakake.
Matur nuwun kanggo manungsa waé, tetep penasaran lan duwe minggu apik everyone! 🙂
Matur nuwun kanggo tetep karo kita. Apa sampeyan seneng karo artikel kita? Pengin ndeleng konten sing luwih menarik? Ndhukung kita kanthi nggawe pesenan utawa menehi rekomendasi menyang kanca, Diskon 30% kanggo pangguna Habr ing analog unik saka server level entri, sing diciptakake kanggo sampeyan: (kasedhiya karo RAID1 lan RAID10, munggah 24 intine lan nganti 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kaping luwih murah? Mung kene ing Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - saka $99! Maca babagan
Source: www.habr.com