작지만 대담한: 새로운 기록을 세운 소형 선형 입자 가속기

“더 많을수록 더 강력하다”라는 친숙한 원칙은 과학과 기술을 포함한 사회 여러 분야에서 오랫동안 확립되어 왔습니다. 그러나 현대 현실에서는 "작지만 대담하다"는 말이 실제로 구현되는 경우가 점점 더 많아지고 있습니다. 이는 이전에는 방 전체를 차지했지만 이제는 어린이 손바닥에 딱 맞는 컴퓨터와 입자 가속기 모두에서 나타납니다. 예, 그렇습니다. 이름에 말 그대로 길이 26m의 인상적인 크기가 표시되어 있는 LHC(대형 강입자 충돌기)를 기억하십니까? 음, 가속기의 소형 버전을 개발한 DESY의 과학자들에 따르면 이것은 이미 과거의 일이며 성능 측면에서 전체 크기의 이전 버전보다 열등하지 않습니다. 또한 미니 가속기는 주입된 전자의 에너지를 두 배로 늘려 테라헤르츠 가속기 중 세계 신기록을 세웠습니다. 소형 가속기는 어떻게 개발되었으며, 그 작동의 주요 원리는 무엇이며, 실제 실험에서는 어떤 결과가 나타났습니까? 연구 그룹의 보고서는 이에 대해 배우는 데 도움이 될 것입니다. 가다.

연구기반

미니 가속기를 개발한 DESY(독일 전자 싱크로트론)의 Dongfang Zhang과 그의 동료에 따르면 초고속 전자 소스는 현대 사회에서 매우 중요한 역할을 합니다. 그 중 다수는 의학, 전자공학 개발, 과학 연구 분야에서 나타납니다. RF 발진기를 사용하는 현재 선형 장치의 가장 큰 문제는 높은 비용, 인프라 복잡성 및 엄청난 전력 소비 욕구입니다. 그리고 이러한 단점으로 인해 더 넓은 범위의 사용자가 해당 기술을 사용할 수 없게 됩니다.

이러한 명백한 문제는 크기는 물론 전력 소모량 측면에서도 위협적이지 않은 장치를 개발하려는 큰 동기가 됩니다.

이 업계의 상대적인 참신함 중에서 테라헤르츠 가속기는 구별될 수 있으며, 여기에는 여러 가지 "좋은 점"이 있습니다.

• 테라헤르츠 방사선의 단파와 단펄스는 임계값을 크게 증가시킬 것으로 예상됩니다. 고장*, 가속도 기울기를 증가시키는 필드로 인해 발생합니다.

전기 고장* - 임계 전압 이상으로 전압이 가해지면 전류 강도가 급격히 증가합니다.

• 높은 필드 테라헤르츠 방사선을 생성하는 효율적인 방법의 가용성으로 인해 전자와 여기 필드 사이의 내부 동기화를 수행할 수 있습니다.
• 이러한 장치를 만드는 데 고전적인 방법을 사용할 수 있지만 비용, 생산 시간 및 크기가 크게 줄어듭니다.

과학자들은 밀리미터 규모의 테라헤르츠 가속기가 현재 사용 가능한 기존 가속기와 개발 중인 마이크로 가속기 간의 절충안이라고 믿고 있지만 이미 매우 작은 크기로 인해 많은 단점이 있습니다.

연구원들은 테라헤르츠 가속 기술이 한동안 개발되어 왔다는 사실을 부정하지 않습니다. 그러나 그들의 의견으로는 이 분야에는 아직 연구, 테스트 또는 구현되지 않은 측면이 많이 있습니다.

오늘 우리가 고려하고 있는 연구에서 과학자들은 STEAM(분할된 테라헤르츠 전자 가속기 및 조작기)는 분할된 테라헤르츠 전자 가속기 및 조작기입니다. STEAM을 사용하면 전자빔의 길이를 피코초 미만으로 줄일 수 있으므로 가속 단계에 대한 펨토초 제어가 가능합니다.

200MV/m(MV - 메가볼트)의 가속 필드를 달성하는 것이 가능했으며, 이는 70keV의 에너지를 가진 주입된 전자 빔에서 > 55keV(킬로전자볼트)의 기록적인 테라헤르츠 가속도로 이어집니다. 이러한 방식으로 최대 125keV의 가속된 전자를 얻었습니다.

장치 구조 및 구현

이미지 #1: 연구 중인 장치의 구성.

이미지 번호 1-2: a - 개발된 5층 분할 구조의 다이어그램, b - 계산된 가속도와 전자 전파 방향의 비율.

전자빔(55keV)은 다음에서 생성됩니다. 전자총* 테라헤르츠 STEAM-buncher(빔 압축기)로 유입된 후 STEAM-linac(선형 가속기*).

전자총* - 필요한 구성과 에너지의 전자빔을 생성하는 장치.

선형 가속기* - 하전 입자가 구조를 한 번만 통과하는 가속기. 이는 선형 가속기와 순환 가속기를 구별합니다(예: LHC).

두 STEAM 장치 모두 단일 근적외선(NIR) 레이저로부터 테라헤르츠 펄스를 수신하며, 이 레이저는 전자총의 광전 음극도 발사하여 전자와 가속 장 사이의 내부 동기화를 발생시킵니다. 광전 음극에서 광 방출을 위한 자외선 펄스는 두 개의 연속 단계를 통해 생성됩니다. 총합* 근적외선의 기본 파장. 이 프로세스는 1020nm 레이저 펄스를 먼저 510nm로 변환한 다음 255nm로 변환합니다.

총합* (XNUMX차 고조파 생성) - 비선형 물질과 상호 작용하는 동안 동일한 주파수의 광자를 결합하는 과정으로, 에너지와 주파수가 두 배이고 파장이 절반인 새로운 광자가 형성됩니다.

NIR 레이저 빔의 나머지 부분은 4개의 빔으로 나누어지며, 이는 펄스 내 주파수 차이를 생성하여 XNUMX개의 단일 주기 테라헤르츠 펄스를 생성하는 데 사용됩니다.

그런 다음 XNUMX개의 테라헤르츠 펄스가 전자 전파 방향을 가로질러 상호 작용 영역으로 테라헤르츠 에너지를 전달하는 대칭 혼 구조를 통해 각 STEAM 장치에 들어갑니다.

전자가 각 STEAM 장치에 들어가면 전기 및 자기 구성 요소에 노출됩니다. 로렌츠 힘*.

로렌츠 힘* 전자기장이 하전 입자에 작용하는 힘입니다.

이 경우 전기장은 가속과 감속을 담당하고 자기장은 측면 편향을 유발합니다.

이미지 #2

우리는 사진에서 볼 수 있듯이 2а и 2b, 각 STEAM 장치 내부에서 테라헤르츠 빔은 얇은 금속 시트에 의해 서로 다른 두께의 여러 층으로 가로로 분리되며, 각 층은 도파관 역할을 하여 전체 에너지의 일부를 상호 작용 영역으로 전달합니다. 또한 각 층에는 테라헤르츠 신호의 도착 시간을 일치시키는 유전체판이 있습니다. 파면* 전자 전선이 있습니다.

웨이브프론트* 파도가 도달한 표면입니다.

두 STEAM 장치 모두 전기 모드에서 작동합니다. 즉, 전기장을 부과하고 상호 작용 영역의 중심에서 자기장을 억제하는 방식으로 작동합니다.

첫 번째 장치에서는 전자가 통과하도록 시간이 맞춰져 있습니다. 제로 크로싱* 테라헤르츠 장에서는 전기장의 시간적 기울기가 최대화되고 평균 필드가 최소화됩니다.

제로 크로싱* -긴장감이 전혀 없는 지점.

이러한 구성으로 인해 전자빔 꼬리가 가속되고 머리가 감속되어 탄도 세로 초점이 발생합니다(2а и 2c).

두 번째 장치에서는 전자 빔이 테라헤르츠 전기장의 음의 주기만 경험하도록 전자와 테라헤르츠 방사선의 동기화가 설정됩니다. 이 구성을 사용하면 순 연속 가속(2b и 2d).

NIR 레이저는 1.2nm의 파장과 50Hz의 반복률에서 1020ps의 지속 시간과 10mJ의 에너지를 갖는 광 펄스를 생성하는 극저온 냉각 Yb:YLF 시스템과 유사합니다. 그리고 틸티드 펄스 프론트 방식에 의해 중심 주파수가 0.29테라헤르츠(주기 3.44ps)인 테라헤르츠 펄스가 생성됩니다.

STEAM-buncher(빔 압축기)에 전력을 공급하는 데는 2 x 50nJ 테라헤르츠 에너지만 사용된 반면, STEAM-linac(선형 가속기)에는 2 x 15mJ가 필요했습니다.

두 STEAM 장치의 입구와 출구 직경은 120μm입니다.

빔 압축기는 동일한 높이(0mm)의 225개 레이어로 설계되었으며 타이밍 제어를 위해 길이 4.41mm 및 0.42mm의 용융 실리카 플레이트(ϵr =0.84)가 장착되어 있습니다. 압축기 층의 높이가 동일하다는 것은 가속이 발생하지 않는다는 사실을 반영합니다(2c).

그러나 선형 가속기에서는 높이가 이미 0.225, 0.225 및 0.250mm(+ 용융 석영 플레이트 0.42 및 0.84mm)로 다릅니다. 층 높이의 증가는 가속 중 전자 속도의 증가를 설명합니다.

과학자들은 레이어 수가 두 장치 각각의 기능에 직접적인 영향을 미친다는 점에 주목합니다. 예를 들어 더 높은 수준의 가속을 달성하려면 상호 작용을 최적화하기 위해 더 많은 레이어와 다른 높이 구성이 필요합니다.

실제 실험 결과

우선, 연구원들은 전통적인 RF 기반 가속기에서 주입된 전자 빔의 시간적 범위가 가속 빔의 특성에 미치는 영향이 내부의 다른 전자들에 의한 상호 작용 중에 경험하는 전기장의 변화와 관련되어 있음을 상기시킵니다. 다른 시간에 도착하는 빔. 따라서 기울기가 크고 지속 시간이 긴 빔을 갖는 필드는 더 큰 에너지 확산으로 이어질 것이라고 가정할 수 있습니다. 장기간 주입된 빔은 더 높은 값을 얻을 수도 있습니다. 방출*.

방출* 는 가속된 하전 입자 빔이 차지하는 위상 공간입니다.

테라헤르츠 가속기의 경우 여기장의 주기는 약 200배 더 짧습니다. 따라서, 긴장* 지원되는 필드는 10배 더 높아집니다.

전기장 강도* - 전하의 특정 지점에 배치된 고정점 전하에 가해지는 힘과 이 전하의 크기의 비율과 동일한 전기장의 표시기입니다.

따라서 테라헤르츠 가속기에서 전자가 겪는 전계 구배는 기존 장치보다 몇 배 더 높을 수 있습니다. 이 경우 필드의 곡률이 눈에 띄는 시간 척도는 훨씬 더 작습니다. 이는 주입된 전자빔의 지속 시간이 더욱 두드러진 효과를 갖게 된다는 것을 의미합니다.

실제로 과학자들은 이러한 이론을 테스트하기로 결정했습니다. 이를 위해 그들은 최초의 STEAM 장치(STEAM-buncher)로 인한 압축에 의해 제어되는 다양한 지속 시간의 전자빔을 도입했습니다.

이미지 #3

압축기가 전원에 연결되지 않은 경우 약 55fC(펨토쿨롱)의 전하를 갖는 전자빔(1keV)이 전자총에서 선형 가속기 장치(STEAM-linac)까지 약 300mm를 이동했습니다. 이러한 전자는 공간 전하력의 작용으로 최대 1000fs(펨토초) 이상의 지속 시간까지 확장될 수 있습니다.

이 기간 동안 전자 빔은 60ps의 주파수로 가속 장의 반파장 중 약 1,7%를 차지했으며, 이는 115keV의 피크와 60keV의 에너지 분포 반폭으로 가속 후 에너지 스펙트럼을 생성했습니다. XNUMXkeV 이상(3а).

이러한 결과를 예상 결과와 비교하기 위해 최적 주입 시간에 대해 전자가 동기화되지 않은 경우(즉, 일치하지 않는 경우) 선형 가속기를 통한 전자 전파 상황을 시뮬레이션했습니다. 이러한 상황을 계산하면 전자 에너지의 증가는 서브피코초 시간 규모까지 도입되는 순간에 매우 의존한다는 것을 알 수 있습니다(3b). 즉, 최적의 조정을 통해 전자는 각 층에서 테라헤르츠 방사선 가속의 전체 반주기를 경험하게 됩니다(3c).

전자가 서로 다른 시간에 도착하면 첫 번째 층에서는 가속도가 낮아지므로 통과하는 데 더 많은 시간이 필요합니다. 그런 다음 후속 레이어에서 비동기화가 증가하여 원치 않는 속도 저하가 발생합니다(3d).

전자빔의 시간적 길이의 부정적인 영향을 최소화하기 위해 첫 번째 STEAM 장치는 압축 모드에서 작동했습니다. linac의 전자 빔 지속 시간은 압축기에 공급되는 테라헤르츠 에너지를 조정하고 linac을 해칭 모드로 전환하여 최소 ~350fs(반폭)로 최적화되었습니다(4b).

이미지 #4

최소 빔 지속 시간은 광음극 UV 펄스의 지속 시간에 따라 설정되었으며 지속 시간은 ~600fs였습니다. 압축기와 스트립 사이의 거리도 중요한 역할을 하여 농축력의 속도를 제한했습니다. 이러한 조치를 종합하면 가속 단계에서 주입 단계의 펨토초 정확도를 보장할 수 있습니다.

이미지에 4а 선형 가속기에서 최적화된 가속 후 압축된 전자빔의 에너지 확산은 압축되지 않은 가속기에 비해 ~4배 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 가속으로 인해 압축된 빔의 에너지 스펙트럼은 압축되지 않은 빔과 달리 더 높은 에너지 쪽으로 이동합니다. 가속 후 에너지 스펙트럼의 피크는 약 115keV이고, 고에너지 꼬리는 약 125keV에 이릅니다.

과학자들의 겸손한 진술에 따르면 이러한 지표는 테라헤르츠 범위에서 새로운 가속 기록(가속 이전에는 70keV였습니다)입니다.

그러나 에너지 확산을 줄이기 위해 (4а), 더 짧은 빔을 달성하는 것이 필요합니다.

이미지 #5

압축되지 않은 주입 빔의 경우 빔 크기의 포물선형 전류 의존성은 수평 및 수직 방향의 가로 방출량을 나타냅니다. εx,n = 1.703mm*mrad 및 εy,n = 1.491mm*mrad(5а).

압축은 가로 방사율을 6배로 εx,n = 0,285mm*mrad(수평) 및 εy,n = 0,246mm*mrad(수직)로 개선했습니다.

방출량의 감소 정도는 전자가 강한 포커싱 및 디포커싱을 경험할 때 시간에 따른 상호 작용 역학의 비선형성을 측정하는 빔 지속 시간의 감소 정도보다 약 두 배 크다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 가속 중 자기장 (5b и 5c).

이미지에 5b 최적의 시간에 도입된 전자는 전기장 가속도의 전체 반주기를 경험하는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 최적의 시점 이전이나 이후에 도착하는 전자는 가속도가 낮아지고 심지어 부분 감속도 발생합니다. 결과적으로 이러한 전자는 대략적으로 말하면 더 적은 에너지를 받습니다.

자기장의 영향으로 유사한 상황이 관찰됩니다. 최적의 시간에 주입된 전자는 대칭적인 양의 양극 및 음극 자기장을 경험합니다. 최적의 시간 이전에 전자의 도입이 발생하면 양극 필드가 더 많고 음극 필드가 적습니다. 최적의 시간보다 늦게 전자가 도입되는 경우에는 양성이 적고 음성이 많아집니다(5c). 그리고 이러한 편차는 축을 기준으로 한 위치에 따라 전자가 왼쪽, 오른쪽, 위 또는 아래로 벗어날 수 있다는 사실로 이어지며, 이는 빔의 초점 또는 초점 흐림에 해당하는 횡방향 운동량의 증가로 이어집니다.

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서 и 추가 자료 그에게.

커튼콜

요약하면, 전자빔의 지속 시간이 줄어들면 가속기의 생산성이 높아집니다. 이 백서에서는 달성 가능한 빔 지속 시간이 설정 형상에 의해 제한되었습니다. 그러나 이론적으로 빔 지속 시간은 100fs 미만에 도달할 수 있습니다.

과학자들은 또한 층의 높이를 줄이고 그 수를 늘리면 빔의 품질이 더욱 향상될 수 있다고 지적합니다. 그러나 이 방법에는 문제가 없는 것은 아니며, 특히 장치 제조의 복잡성이 증가합니다.

이 작업은 선형 가속기의 소형 버전에 대한 보다 광범위하고 상세한 연구의 초기 단계입니다. 테스트 버전이 이미 기록이라고 할 만큼 뛰어난 결과를 보여주고 있음에도 불구하고, 아직 해야 할 일이 많습니다.

많은 관심 부탁드리며 모두들 즐거운 한주 보내세요! 🙂

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출처 : habr.com