Қоғамның көптеген салаларында, соның ішінде ғылым мен техникада «көбірек күштірек» деген таныс қағида бұрыннан қалыптасқан. Дегенмен, қазіргі заманғы шындықта «кішкентай, бірақ күшті» деген сөзді іс жүзінде жүзеге асыру барған сайын кең таралған. Бұл бұрын бүкіл бөлмені алып жатқан, бірақ қазір баланың алақанына сыйатын компьютерлерде де, зарядталған бөлшектерді үдеткіштерде де көрінеді. Иә, әсерлі өлшемдері (ұзындығы 26 659 м) атауында сөзбе-сөз көрсетілген Үлкен адрондық коллайдер (LHC) есіңізде ме? Осылайша, DESY ғалымдарының айтуынша, бұл үдеткіштің толық өлшемді алдыңғысынан кем түспейтін миниатюралық нұсқасын жасаған. Сонымен қатар, шағын үдеткіш тіпті терагерц үдеткіштері арасында жаңа әлемдік рекорд орнатып, енгізілген электрондардың энергиясын екі есе арттырды. Миниатюралық үдеткіш қалай жасалды, оның жұмыс істеуінің негізгі принциптері қандай және практикалық тәжірибелер нені көрсетті? Бұл туралы білуге зерттеу тобының есебі көмектеседі. Бар.
Зерттеу негізі
Донгфан Чжан мен оның шағын үдеткішті жасаған DESY (неміс электронды синхротрон) әріптестерінің айтуынша, өте жылдам электрон көздері қазіргі қоғам өмірінде керемет маңызды рөл атқарады. Олардың көпшілігі медицинада, электрониканы дамытуда және ғылыми зерттеулерде пайда болады. Радиожиілік осцилляторларын пайдаланатын ағымдағы желілік үдеткіштердің ең үлкен проблемасы олардың жоғары құны, күрделі инфрақұрылымы және әсерлі қуат тұтынуы болып табылады. Және мұндай кемшіліктер мұндай технологиялардың қолданушылардың кең ауқымына қолжетімділігін айтарлықтай шектейді.
Бұл айқын мәселелер мөлшері мен қуат тұтынуы қорқынышты тудырмайтын құрылғыларды әзірлеуге үлкен ынталандыру болып табылады.
Осы саладағы салыстырмалы жаңалықтардың қатарында бірқатар «артықшылықтары» бар терагерц үдеткіштері бар:
- Терагерц радиациясының қысқа толқындары мен қысқа импульстары шекті айтарлықтай арттырады деп күтілуде. сындыру*, өрістен туындаған, бұл үдеу градиенттерін арттырады;
Электр тогының бұзылуы* - критикалық жоғары кернеу қолданылған кезде ток күшінің күрт артуы.
- жоғары өрісті терагерц сәулеленуін генерациялаудың тиімді әдістерінің болуы электрондар мен қозу өрістері арасындағы ішкі синхронизацияға мүмкіндік береді;
- Мұндай құрылғыларды жасау үшін классикалық әдістерді қолдануға болады, бірақ олардың құны, өндіру уақыты мен көлемі айтарлықтай төмендейді.
Ғалымдар олардың миллиметрлік терагерц үдеткіші қазіргі уақытта қол жетімді кәдімгі үдеткіштер мен әзірленіп жатқан микро үдеткіштер арасындағы ымыра деп санайды, бірақ олардың өте кішкентай өлшемдеріне байланысты көптеген кемшіліктері бар.
Зерттеушілер терагерц жеделдету технологиясы біраз уақыттан бері дамып келе жатқанын жоққа шығармайды. Дегенмен, олардың пікірінше, бұл салада әлі де зерттелмеген, тексерілмеген, жүзеге асырылмаған тұстары бар.
Біз бүгін қарастырып отырған жұмыстарында ғалымдар STEAM мүмкіндіктерін көрсетеді (сегменттелген терагерц электронды үдеткіш және манипулятор) - сегменттелген терагерц электронды үдеткіш және манипулятор. STEAM электронды сәуленің ұзындығын субпикосекундқа дейін қысқартуға мүмкіндік береді, осылайша жеделдету фазасын фемтосекундтық бақылауды қамтамасыз етеді.
200 МВ/м (МВ - мегавольт) жеделдету өрісіне қол жеткізу мүмкін болды, ол энергиясы 70 кВ кірістірілген электронды сәуледен > 55 кВ (килоэлектронвольт) терагерц рекордтық үдеуіне әкеледі. Осылайша 125 кВ-қа дейінгі үдетілген электрондар алынды.
Құрылғы құрылымы және іске асыру
No1 сурет: зерттелетін құрылғының диаграммасы.
No 1-2 сурет: а - әзірленген 5 қабатты сегменттелген құрылымның диаграммасы, b - электронды таралудың есептелген үдеуінің және бағытының қатынасы.
Электрондық сәулелер (55 кВ) генерацияланады электронды мылтық* және терагерц STEAM буншеріне (сәулелік компрессорға) енгізіледі, содан кейін олар STEAM-линакқа (сызықтық үдеткіш*).
Электрондық мылтық* — қажетті конфигурация мен энергияның электрондар шоғын генерациялауға арналған құрылғы.
Сызықтық үдеткіш* - зарядталған бөлшектер құрылым арқылы тек бір рет өтетін үдеткіш, бұл сызықтық үдеткішті циклдіктен (мысалы, LHC) ерекшелендіреді.
STEAM құрылғыларының екеуі де бір жақын инфрақызыл (NIR) лазерден терагерц импульстарын алады, ол сонымен қатар электронды тапаншаның фотокатодын іске қосады, нәтижесінде электрондар мен үдеткіш өрістер арасындағы ішкі синхрондау жүзеге асырылады. Фотокатодта фотоэмиссияға арналған ультракүлгін импульстар екі дәйекті кезең арқылы жасалады GVG* жақын инфрақызыл сәуленің негізгі толқын ұзындығы. Бұл процесс 1020 нм лазерлік импульсті алдымен 510 нм, содан кейін 255 нм-ге түрлендіреді.
GVG* (оптикалық екінші гармоникалық генерация) - сызықты емес материалмен әрекеттесу кезінде бірдей жиіліктегі фотондарды біріктіру процесі, энергиясы мен жиілігі екі еселенген, сондай-ақ толқын ұзындығының жартысы жаңа фотондардың пайда болуына әкеледі.
NIR лазер сәулесінің қалған бөлігі импульстік жиілік айырмашылықтарын генерациялау арқылы төрт бір циклды терагерц импульстерін жасау үшін пайдаланылатын 4 сәулеге бөлінеді.
Содан кейін екі терагерц импульсі әрбір STEAM құрылғысына терагерц энергиясын электронның таралу бағыты бойынша өзара әрекеттесу аймағына бағыттайтын симметриялы мүйізді құрылымдар арқылы жеткізіледі.
Электрондар әрбір STEAM құрылғысына кіргенде, олар электрлік және магниттік компоненттердің әсеріне ұшырайды Лоренц күштері*.
Лоренц күші* - зарядталған бөлшекке электромагниттік өріс әсер ететін күш.
Бұл жағдайда электр өрісі үдеу мен баяулау үшін жауап береді, ал магнит өрісі бүйірлік ауытқуларды тудырады.
№2 сурет
Суреттерде көріп отырғанымыздай 2а и 2b, Әрбір STEAM құрылғысының ішінде терагерц сәулелері жұқа металл қаңылтырлармен көлденеңінен әртүрлі қалыңдықтағы бірнеше қабаттарға бөлінеді, олардың әрқайсысы толқын өткізгіш ретінде әрекет етеді, жалпы энергияның бір бөлігін өзара әрекеттесу аймағына береді. Сондай-ақ терагерцтің келу уақытын үйлестіру үшін әр қабатта диэлектрлік тақталар бар толқындық фронт* электрондардың алдыңғы бөлігімен.
Толқынды бет* - толқын жеткен бет.
STEAM құрылғыларының екеуі де электрлік режимде жұмыс істейді, яғни өзара әрекеттесу аймағының ортасында электр өрісін түсіретін және магнит өрісін басатындай.
Бірінші құрылғыда электрондардың өту уақыты белгіленген нөлдік қиылысу* терагерц өрісі, мұнда электр өрісінің уақыт градиенттері максималды және орташа өріс минимизацияланады.
Нөлдік қиылысу* - шиеленіс жоқ нүкте.
Бұл конфигурация электронды сәуленің құйрығын жылдамдатуға және оның басын баяулатуға әкеледі, нәтижесінде баллистикалық бойлық фокустау (2а и 2c).
Екінші құрылғыда электронды және терагерц сәулеленуінің синхронизациясы электронды сәуле тек терагерц электр өрісінің теріс циклін бастан кешіретіндей етіп орнатылады. Бұл конфигурация таза үздіксіз жеделдетуге әкеледі (2b и 2d).
NIR лазері криогенді салқындатылған Yb:YLF жүйесі болып табылады, ол 1.2 нм толқын ұзындығында және 50 Гц қайталану жиілігінде 1020 ps ұзақтығы мен 10 мДж энергия оптикалық импульстарды шығарады. Ал орталық жиілігі 0.29 терагерц (период 3.44 пс) терагерц импульстері көлбеу импульстік фронт әдісімен жасалады.
STEAM буншерін (сәулелік компрессор) қуаттандыру үшін тек 2 x 50 нДж терагерц энергиясы жұмсалды, ал STEAM-линак (сызықтық үдеткіш) 2 x 15 мДж қажет болды.
Екі STEAM құрылғысының кіріс және шығыс тесіктерінің диаметрі 120 микрон.
Арқалық компрессор тең биіктіктегі үш қабатпен (0 мм) жобаланған, олар уақытты басқару үшін ұзындығы 225 және 4.41 мм балқытылған кремний диоксиді пластиналарымен (ϵr = 0.42) жабдықталған. Компрессор қабаттарының бірдей биіктіктері жеделдету жоқтығын көрсетеді (2c).
Бірақ сызықтық үдеткіште биіктіктер қазірдің өзінде әртүрлі - 0.225, 0.225 және 0.250 мм (+ балқытылған кварц тақталары 0.42 және 0.84 мм). Қабат биіктігінің ұлғаюы үдеу кезінде электрондардың жылдамдығының жоғарылауын түсіндіреді.
Ғалымдар қабаттардың саны екі құрылғының әрқайсысының функционалдығына тікелей жауапты екенін атап өтті. Жоғары жылдамдыққа жету, мысалы, өзара әрекеттесуді оңтайландыру үшін көбірек қабаттар мен әртүрлі биіктік конфигурацияларын қажет етеді.
Практикалық тәжірибелердің нәтижелері
Біріншіден, зерттеушілер дәстүрлі радиожиілік үдеткіштерінде енгізілген электронды сәуленің уақытша көлемінің жеделдетілген сәуленің қасиеттеріне әсері келген сәуленің ішіндегі әртүрлі электрондардың өзара әрекеттесуі кезінде пайда болатын электр өрісінің өзгеруіне байланысты екенін еске салады. әр түрлі уақытта. Осылайша, градиенттері жоғары өрістер мен ұзағырақ сәулелер энергияның үлкен таралуына әкеледі деп күтуге болады. Ұзақ мерзімді инъекциялық сәулелер де жоғары мәндерге әкелуі мүмкін эмиссиялар*.
Шығару* — зарядталған бөлшектердің үдетілген шоғы алып жатқан фазалық кеңістік.
Терагерц үдеткіші жағдайында қозу өрісінің периоды шамамен 200 есе қысқа. Демек, шиеленіс* қолдау көрсетілетін өріс 10 есе жоғары болады.
Электр өрісінің кернеулігі* - өрістің берілген нүктесінде орналасқан қозғалмайтын нүктелік зарядқа әсер ететін күштің осы зарядтың шамасына қатынасына тең электр өрісінің көрсеткіші.
Осылайша, терагерц үдеткішінде электрондар әсер ететін өріс градиенттері кәдімгі құрылғыға қарағанда бірнеше рет жоғары болуы мүмкін. Өрістің қисаюы байқалатын уақыт шкаласы айтарлықтай кішірек болады. Бұдан шығатыны, енгізілген электронды сәуленің ұзақтығы айқынырақ әсер етеді.
Ғалымдар бұл теорияларды іс жүзінде сынап көруді ұйғарды. Бұл үшін олар әр түрлі ұзақтықтағы электронды сәулелерді енгізді, олар бірінші STEAM құрылғысы (STEAM-бунчер) көмегімен қысу арқылы басқарылды.
№3 сурет
Компрессор қуат көзіне қосылмаған жағдайда, заряды ~55 fC (фемтокулон) электрондар шоғырлары (1 кВ) электронды пистолеттен желілік үдеткіш құрылғыға (STEAM-linac) шамамен 300 мм өтті. Бұл электрондар ғарыштық заряд күштерінің әсерінен 1000 фс (фемтосекунд) ұзақтыққа дейін кеңейе алады.
Осы ұзақтықта электронды шоқ 60 пс жиіліктегі үдеу өрісінің жарты толқын ұзындығының шамамен 1,7%-ын алып, нәтижесінде 115 кВ шыңы және энергияның таралу енінің жартысы болатын үдеуден кейінгі энергия спектрі пайда болды. 60 кВ жоғары (3а).
Бұл нәтижелерді күтілетін нәтижелермен салыстыру үшін электрондар оңтайлы инъекция уақытымен синхрондалмаған (яғни, синхрондалмаған) кезде сызықтық үдеткіш арқылы электрондардың таралу жағдайы модельденді. Бұл жағдайды есептеулер көрсеткендей, электрон энергиясының ұлғаюы инъекция моментіне өте тәуелді, субпикосекундтық уақыт шкаласына дейін (3b). Яғни, оңтайлы орнату кезінде электрон әрбір қабатта терагерц сәулелену үдеуінің толық жарты циклін бастан кешіреді (3c).
Егер электрондар әр түрлі уақытта келсе, олар бірінші қабатта азырақ үдеуді бастан кешіреді, бұл олардың бұл қабат арқылы өтуіне ұзақ уақыт алады. Содан кейін десинхронизация келесі қабаттарда артып, қажетсіз баяулауды тудырады (3d).
Электрондық сәуленің уақытша ұзаруының жағымсыз әсерін азайту үшін бірінші STEAM құрылғысы қысу режимінде жұмыс істеді. Линактағы электронды сәуленің ұзақтығы компрессорға берілетін терагерц энергиясын реттеу және линакты люк режиміне ауыстыру (жарты ені) кемінде ~350 fs дейін оңтайландырылған4b).
№4 сурет
Сәуленің минималды ұзақтығы ~600 фс болатын фотокатодтың ультракүлгін импульсінің ұзақтығына сәйкес орнатылды. Компрессор мен жолақ арасындағы қашықтық та қалыңдатқыш күштің жылдамдығын шектейтін маңызды рөл атқарды. Бұл шаралар бірге жеделдету фазасының инъекция фазасында фемтосекундтық дәлдікке мүмкіндік береді.
Сурет бойынша 4а Сызықтық үдеткіште оңтайландырылған үдеуден кейін сығылған электронды сәуленің энергиясының таралуы қысылмағанға қарағанда ~ 4 есе азайғанын көруге болады. Үдеу есебінен сығылған сәуленің энергетикалық спектрі сығылмаған сәуледен айырмашылығы жоғары энергияларға қарай ығысады. Үдеуден кейінгі энергетикалық спектрдің шыңы шамамен 115 кВ, ал жоғары энергиялы құйрық шамамен 125 кВ жетеді.
Бұл сандар, ғалымдардың қарапайым мәлімдемесіне сәйкес, терагерц диапазонындағы жеделдеудің жаңа рекорды (үдеуге дейін ол 70 кВ болды).
Бірақ энергияның дисперсиясын азайту үшін (4а), одан да қысқа сәулеге қол жеткізу керек.
№5 сурет
Сығылмаған енгізілген сәуле жағдайында сәуле мөлшерінің токқа параболалық тәуелділігі көлденең және тік бағыттағы көлденең сәуле шығаруды көрсетеді: εx,n = 1.703 мм*мрад және εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).
Сығымдау, өз кезегінде, көлденең сәуле шығаруды 6 есе εx,n = 0,285 мм*мрад (көлденең) және εy,n = 0,246 мм*мрад (тік) дейін жақсартты.
Электрондар жеделдету кезінде магнит өрісінің күшті фокустауын және дефокусын бастан кешіретін уақыт бойынша өзара әрекеттесу динамикасының сызықты еместігінің өлшемі болып табылатын сәуле шығарудың қысқару дәрежесі сәуленің ұзақтығының қысқару дәрежесінен шамамен екі есе үлкен екенін атап өткен жөн.5b и 5c).
Сурет бойынша 5b Оңтайлы уақытта енгізілген электрондар электр өрісі үдеуінің бүкіл жарты циклін бастан кешіретінін көруге болады. Бірақ оңтайлы уақытқа дейін немесе одан кейін келген электрондар азырақ үдеу және тіпті ішінара баяулауды бастан кешіреді. Мұндай электрондар, шамамен айтқанда, аз энергиямен аяқталады.
Ұқсас жағдай магнит өрісінің әсерінен байқалады. Оңтайлы уақытта инъекцияланған электрондар оң және теріс магнит өрістерінің симметриялы мөлшерін сезінеді. Егер электрондарды енгізу оңтайлы уақытқа дейін болса, онда оң өрістер көп, теріс өрістер аз болды. Егер электрондар оңтайлы уақыттан кеш енгізілсе, оң аз және теріс болады (5c). Және мұндай ауытқулар электронның оське қатысты орнына байланысты солға, оңға, жоғары немесе төмен ауытқуы мүмкін екеніне әкеледі, бұл сәуленің фокустауына немесе дефокусына сәйкес келетін көлденең импульстің жоғарылауына әкеледі.
Зерттеудің нюанстарымен толығырақ танысу үшін мен қарауды ұсынамын и оған.
Эпилогия
Қорытындылай келе, егер электронды сәуленің ұзақтығы қысқарса, үдеткіштің өнімділігі артады. Бұл жұмыста қол жеткізуге болатын сәуленің ұзақтығы қондырғының геометриясымен шектелді. Бірақ, теориялық тұрғыдан, сәуленің ұзақтығы 100 фс-тен аз болуы мүмкін.
Ғалымдар сонымен қатар қабаттардың биіктігін азайту және олардың санын көбейту арқылы сәуленің сапасын одан әрі жақсартуға болатынын атап өтті. Дегенмен, бұл әдіс қиындықсыз емес, атап айтқанда құрылғыны өндірудің күрделілігін арттырады.
Бұл жұмыс сызықтық үдеткіштің миниатюралық нұсқасын неғұрлым кең және егжей-тегжейлі зерттеудің бастапқы кезеңі болып табылады. Сынақталған нұсқасы қазірдің өзінде рекордтық деп атауға болатын тамаша нәтижелер көрсетіп жатқанына қарамастан, әлі де көп жұмыс істеу керек.
Назарларыңызға рахмет, қызықты болыңыз және баршаңызға жақсы апта болсын! 🙂
Бізбен бірге болғандарыңызға рахмет. Сізге біздің мақалалар ұнайды ма? Қызықты мазмұнды көргіңіз келе ме? Тапсырыс беру немесе достарыңызға ұсыну арқылы бізге қолдау көрсетіңіз, Habr пайдаланушылары үшін біз сіз үшін ойлап тапқан бастапқы деңгейдегі серверлердің бірегей аналогына 30% жеңілдік: (RAID1 және RAID10, 24 ядроға дейін және 40 ГБ DDR4 дейін қол жетімді).
Dell R730xd 2 есе арзан ба? Тек осында Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 ГГц 6C 128 ГБ DDR3 2x960 ГБ SSD 1 Гбит/с 100 ТБ - 99 доллардан бастап! туралы оқыңыз
Ақпарат көзі: www.habr.com