De vertraute Prinzip vu "méi ass méi staark" ass laang a ville Secteuren vun der Gesellschaft etabléiert, dorënner Wëssenschaft an Technologie. Wéi och ëmmer, an der moderner Realitéit gëtt d'praktesch Ëmsetzung vum Spréchwuert "kleng, awer mächteg" ëmmer méi heefeg. Dëst manifestéiert sech souwuel a Computeren, déi virdru e ganze Raum opgeholl hunn, awer elo an der Handfläch vun engem Kand passen, wéi och a gelueden Partikelbeschleuniger. Jo, erënnere mech un de Large Hadron Collider (LHC), deem seng beandrockend Dimensiounen (26 m an der Längt) wuertwiertlech a sengem Numm uginn? Also, dëst ass schonn eng Saach vun der Vergaangenheet laut Wëssenschaftler vun DESY, déi eng Miniatur Versioun vum Beschleuniger entwéckelt hunn, déi net méi schlecht ass wéi säi Virgänger an der voller Gréisst. Ausserdeem huet de Mini Beschleuniger souguer en neie Weltrekord ënner Terahertz Beschleuniger gesat, d'Energie vun den embedded Elektronen verduebelt. Wéi gouf de Miniaturbeschleuniger entwéckelt, wat sinn d'Basisprinzipien vu senger Operatioun, a wat hunn praktesch Experimenter gewisen? De Bericht vun der Fuerschungsgrupp hëlleft eis doriwwer erauszefannen. Gitt.
Basis vun der Etude
Laut dem Dongfang Zhang a senge Kollegen bei DESY (Däitsch Elektronen Synchrotron), déi de Mini-Accelerator entwéckelt hunn, spillen ultraschnell Elektronequelle eng onheemlech wichteg Roll am Liewen vun der moderner Gesellschaft. Vill vun hinnen erschéngen an der Medizin, der Elektronik Entwécklung a wëssenschaftlecher Fuerschung. De gréisste Problem mat aktuellen linear Beschleuniger déi Radiofrequenz Oszilléierer benotzen ass hir héich Käschten, komplex Infrastruktur an beandrockende Stroumverbrauch. An esou Mängel limitéieren immens der Disponibilitéit vun esou Technologien zu enger méi grousser Gamme vu Benotzer.
Dës offensichtlech Probleemer sinn e groussen Ureiz fir Apparater z'entwéckelen, deenen hir Gréisst a Stroumverbrauch keen Horror verursaachen.
Ënnert de relativen Neiegkeeten an dëser Industrie sinn Terahertz Beschleuniger, déi eng Rei "Virdeeler" hunn:
- Et gëtt erwaart datt kuerz Wellen a kuerz Impulser vun der Terahertzstralung d'Schwell wesentlech erhéijen ofbauen*, verursaacht vum Feld, wat d'Beschleunigungsgradienten erhéijen;
Elektresch Pann* - eng schaarf Erhéijung vun der aktueller Stäerkt wann eng Spannung iwwer kritesch ugewannt gëtt.
- d'Präsenz vun efficace Methoden fir generéieren héich-Feld Terahertz Stralung erlaabt fir intern Synchroniséierung tëscht Elektronen an excitation Felder;
- Klassesch Methoden kënne benotzt ginn fir sou Geräter ze kreéieren, awer hir Käschten, Produktiounszäit a Gréisst wäerte staark reduzéiert ginn.
Wëssenschaftler gleewen datt hire Millimeter-Skala Terahertz Beschleuniger e Kompromiss tëscht konventionelle Beschleuniger ass, déi momentan verfügbar sinn, a Mikro-Beschleuniger déi entwéckelt ginn, awer vill Nodeeler hunn duerch hir ganz kleng Dimensiounen.
Fuerscher verleegnen net datt d'Terahertz Beschleunigungstechnologie zënter enger Zäit an der Entwécklung ass. Wéi och ëmmer, hir Meenung sinn et nach vill Aspekter an dësem Beräich, déi net studéiert, getest oder ëmgesat goufen.
An hirer Aarbecht, déi mir haut berücksichtegen, weisen d'Wëssenschaftler d'Fäegkeete vu STEAM (Segmentéiert Terahertz Elektronen Beschleuniger a Manipulator) - e segmentéierten Terahertz Elektronen Beschleuniger a Manipulator. STEAM mécht et méiglech d'Längt vum Elektronenstrahl op d'Sub-picosecond Dauer ze reduzéieren, wouduerch d'Femtosekonnen Kontroll iwwer d'Beschleunigungsphase gëtt.
Et war méiglech, e Beschleunigungsfeld vun 200 MV/m (MV - Megavolt) z'erreechen, wat zu enger Rekord-Terahertz-Beschleunegung vun > 70 keV (Kiloelektronvolt) aus dem embedded Elektronenstrahl mat enger Energie vu 55 keV féiert. Op dës Manéier goufe beschleunegt Elektronen bis zu 125 keV kritt.
Apparat Struktur an Ëmsetzung
Bild Nr 1: Diagramm vum Apparat ënner Studie.
Bild Nr.. 1-2: a - Diagramm vun der entwéckelt 5-Layer segmentéiert Struktur, b - Verhältnis vun der berechent Beschleunegung a Richtung vun Elektronen Ausbreedung.
Elektronenstrahlen (55 keV) ginn aus generéiert Elektronenpistoul* a ginn an den terahertz STEAM-buncher (Beamkompressor) agefouert, duerno ginn se an den STEAM-linac (linear Beschleuniger *).
Elektronen Pistoul* - en Apparat fir e Strahl vun Elektronen vun der erfuerderter Konfiguratioun an Energie ze generéieren.
Linear Beschleuniger* - e Beschleuniger an deem gelueden Partikel nëmmen eemol duerch d'Struktur passéieren, wat e linear Beschleuniger vun engem zyklesche (zum Beispill LHC) ënnerscheet.
Béid STEAM-Geräter kréien terahertz-Impulser vun engem eenzegen no-Infrarout (NIR) Laser, deen och d'Fotokathode vun der Elektronengewier brennt, wat zu enger interner Synchroniséierung tëscht Elektronen a Beschleunigungsfelder resultéiert. Ultraviolet Impulser fir Photoemissioun bei der Photokathode ginn duerch zwee successive Etappen generéiert GVG* fundamental Wellelängt vum no-Infrarout Liicht. Dëse Prozess konvertéiert en 1020 nm Laserpuls fir d'éischt op 510 nm an dann op 255 nm.
GVG* (optesch zweet harmonesch Generatioun) ass de Prozess fir Photonen vun der selwechter Frequenz während der Interaktioun mat engem net-lineare Material ze kombinéieren, wat zu der Bildung vun neie Photonen mat duebeler Energie a Frequenz féiert, souwéi d'Halschent vun der Wellelängt.
De Rescht vum NIR Laserstrahl gëtt a 4 Strahlen opgedeelt, déi benotzt gi fir véier Eenzyklus Terahertz-Impulser ze generéieren andeems se Intra-Pulsfrequenzdifferenzen generéieren.
Déi zwee terahertz-Impulser ginn dann un all STEAM-Apparat duerch symmetresch Hornstrukturen geliwwert, déi d'Terahertz-Energie an d'Interaktiounsregioun iwwer d'Richtung vun der Elektronepropagatioun riichten.
Wann Elektronen an all STEAM Apparat erakommen, gi se un elektresch a magnetesch Komponenten ausgesat Lorentz Kräften*.
Lorentz Force* - d'Kraaft mat där dat elektromagnéitescht Feld op e gelueden Partikel wierkt.
An dësem Fall ass dat elektrescht Feld verantwortlech fir Beschleunegung an Verzögerung, an d'Magnéitfeld verursaacht lateral Oflenkungen.
Bild #2
Wéi mir an de Biller gesinn 2 и 2b, Bannen an all STEAM-Apparat sinn d'Terahertz-Trägere transversal duerch dënnem Metallplacke a verschidde Schichten vun ënnerschiddlecher Dicke gedeelt, déi jidderee als Welleleit wierkt, en Deel vun der Gesamtenergie an d'Interaktiounsregioun iwwerdroen. Et ginn och dielektresch Placke an all Schicht fir d'Arrivée vun der Terahertz ze koordinéieren Wellefront* mat der viischter vun Elektronen.
Wavefront* - d'Uewerfläch op déi d'Welle erreecht huet.
Béid STEAM-Geräter funktionnéieren am elektresche Modus, dat ass, sou datt en elektrescht Feld imposéiert an e Magnéitfeld am Zentrum vum Interaktiounsberäich ënnerdréckt.
Am éischten Apparat sinn Elektronen Zäit fir duerch ze passéieren Null Kräizgang* terahertz Feld, wou Zäitgradienten vum elektresche Feld maximéiert sinn an d'Duerchschnëttsfeld miniméiert gëtt.
Null Kräizgang* - e Punkt wou et keng Spannung ass.
Dës Konfiguratioun bewierkt datt de Schwanz vum Elektronenstrahl beschleunegt a säi Kapp deceleréiert, wat zu ballistesche Längsfokuséierung resultéiert (2 и 2c).
Am zweeten Apparat gëtt d'Synchroniséierung vun der Elektronen an der Terahertzstralung sou festgeluecht datt den Elektronenstrahl nëmmen en negativen Zyklus vum Terahertz elektresche Feld erliewt. Dës Konfiguratioun féiert zu enger kontinuéierlecher Netto Beschleunegung (2b и 2d).
Den NIR Laser ass e kryogent gekillte Yb:YLF System deen optesch Impulser vun 1.2 ps Dauer an 50 mJ Energie bei enger Wellelängt vun 1020 nm an enger Widderhuelungsrate vun 10 Hz produzéiert. An terahertz-Impulser mat enger zentraler Frequenz vun 0.29 terahertz (Period vun 3.44 ps) gi vun der Schréiegt Pulsfront-Method generéiert.
Fir den STEAM-Buncher (Beamkompressor) z'ënnerstëtzen, gouf nëmmen 2 x 50 nJ Terahertz-Energie benotzt, an den STEAM-linac (linear Beschleuniger) erfuerdert 2 x 15 mJ.
Den Duerchmiesser vun den Inlet- an Outlet Lächer vu béide STEAM-Geräter ass 120 Mikron.
De Strahlkompressor ass mat dräi Schichten vun der selwechter Héicht (0 mm) entworf, déi mat verschmolzene Silikaplacke (ϵr = 225) vun der Längt 4.41 an 0.42 mm ausgestatt sinn fir den Timing ze kontrolléieren. Déi gläich Héichte vun de Kompressorschichten reflektéieren d'Tatsaach datt et keng Beschleunegung gëtt (2c).
Awer am linearem Beschleuniger sinn d'Héichten schonn ënnerschiddlech - 0.225, 0.225 an 0.250 mm (+ verschmolzene Quarzplacke 0.42 an 0.84 mm). Eng Erhéijung vun der Héicht vun der Schicht erkläert d'Erhéijung vun der Geschwindegkeet vun Elektronen während der Beschleunegung.
Wëssenschaftler bemierken datt d'Zuel vun de Schichten direkt verantwortlech ass fir d'Funktionalitéit vun all eenzel vun deenen zwee Apparater. Méi héije Beschleunigungsraten z'erreechen, zum Beispill, géif méi Schichten a verschidden Héichtkonfiguratiounen erfuerderen fir d'Interaktioun ze optimiséieren.
Resultater vun praktesch Experimenter
Als éischt erënneren d'Fuerscher datt an traditionelle Radiofrequenzbeschleuniger den Effekt vun der temporärer Ausmooss vum embedded Elektronenstrahl op d'Eegeschafte vum beschleunegten Strahl ass wéinst der Verännerung vum elektresche Feld, deen während der Interaktioun vu verschiddenen Elektronen am Strahl erlieft gëtt. zu verschiddenen Zäiten. Et kann also erwaart ginn datt Felder mat méi héije Gradienten a Strahlen mat méi laang Dauer zu enger méi grousser Energieverbreedung féieren. Injizéiert Strahlen vu laanger Dauer kënnen och zu méi héije Wäerter féieren Emissiounen*.
Emissioun* - Phaseraum besat vun engem beschleunegten Strahl vu geluedenen Partikelen.
Am Fall vun engem Terahertz Beschleuniger ass d'Period vum Excitatiounsfeld ongeféier 200 Mol méi kuerz. Dofir, Spannung* der ënnerstëtzt Terrain wäert 10 Mol méi héich.
Elektresch Feldstäerkt* - en Indikator vum elektresche Feld, gläich wéi d'Verhältnis vun der Kraaft applizéiert op eng stationär Punktladung, déi op engem bestëmmte Punkt am Feld plazéiert ass, an d'Gréisst vun dëser Ladung.
Also, an engem Terahertz Beschleuniger, kënnen d'Feldgradienten, déi vun Elektronen erliewt ginn, e puer Uerdere méi héich sinn wéi an engem konventionellen Apparat. D'Zäitskala op där d'Feldkrümmung bemierkbar ass wäert däitlech méi kleng sinn. Et geet dovun aus, datt d'Dauer vum agefouerten Elektronenstrahl e méi ausgeprägten Effekt wäert hunn.
Wëssenschaftler hunn decidéiert dës Theorien an der Praxis ze testen. Fir dëst ze maachen, hunn se Elektronenstrahlen vu verschiddenen Dauer agefouert, déi duerch Kompressioun mat dem éischte STEAM-Apparat (STEAM-buncher) kontrolléiert goufen.
Bild #3
Am Fall wou de Kompressor net mat enger Stroumquell verbonne war, sinn Elektronenstrahlen (55 keV) mat enger Ladung vun ~1 fC (Femtoculomb) ongeféier 300 mm vun der Elektronenpistoul an de Linearbeschleunigungsapparat (STEAM-linac) passéiert. Dës Elektrone kënnen ënner dem Afloss vu Raumladungskräfte bis zu enger Dauer vu méi wéi 1000 fs (Femtosekonnen) ausdehnen.
Bei dëser Dauer huet den Elektronenstrahl ongeféier 60% vun der Hallefwellelängt vum Beschleunigungsfeld mat enger Frequenz vun 1,7 ps besat, wat zu engem Post-Beschleunigungsenergiespektrum mat engem Peak bei 115 keV an enger Hallefbreet vun der Energieverdeelung resultéiert. méi wéi 60 keV (3).
Fir dës Resultater mat deenen erwaarten ze vergläichen, gouf d'Situatioun vun der Elektronepropagatioun duerch e linearem Beschleuniger simuléiert wann d'Elektronen net synchroniséiert waren mat (dh ausser Synchroniséierung mat) der optimaler Injektiounszäit. Berechnunge vun dëser Situatioun weisen datt d'Erhéijung vun der Elektronenenergie ganz ofhängeg vum Moment vun der Injektioun ass, bis op eng subpicosecond Zäitskala (3b). Dat ass, mat engem optimalen Astellung wäert den Elektron e vollen Hallefzyklus vun der Terahertz Stralungsbeschleunegung an all Schicht erliewen (3c).
Wann d'Elektronen zu verschiddenen Zäiten ukommen, erliewen se manner Beschleunegung an der éischter Schicht, wouduerch se méi laang daueren fir doduerch ze reesen. D'Desynchroniséierung vergréissert dann an de folgende Schichten, wat ongewollte Verlängerung verursaacht (3d).
Fir den negativen Effekt vun der temporärer Ausdehnung vum Elektronenstrahl ze minimiséieren, huet den éischte STEAM-Apparat am Kompressiounsmodus operéiert. D'Elektronenstrahl Dauer um Linac gouf op e Minimum vu ~350 fs (hallef Breet) optimiséiert andeems d'Terahertz Energie, déi dem Kompressor geliwwert gouf, ofgeschalt gouf an de Linac op Hatch Modus wiesselt (4b).
Bild #4
D'Mindeststrahldauer gouf am Aklang mat der Dauer vun der Photocathode UV-Puls festgeluecht, déi ~600 fs war. D'Distanz tëscht dem Kompressor an dem Sträif huet och eng wichteg Roll gespillt, déi d'Geschwindegkeet vun der Verdickungskraaft limitéiert huet. Zesumme kënnen dës Moossnamen Femtosekonne Präzisioun an der Injektiounsphase vun der Beschleunigungsphase.
Am Bild 4 et kann gesi ginn datt d'Energieverbreedung vum kompriméierten Elektronenstrahl no optimiséierter Beschleunegung an engem linearem Beschleuniger ëm ~ 4 Mol am Verglach zum onkompriméierten erofgeet. Duerch Beschleunegung gëtt d'Energiespektrum vum kompriméierte Strahl a Richtung méi héich Energie verréckelt, am Géigesaz zum onkompriméierte Strahl. Den Héichpunkt vum Energiespektrum no der Beschleunegung ass ongeféier 115 keV, an den Héichenergieschwanz erreecht ongeféier 125 keV.
Dës Zuelen, no der bescheidener Ausso vun de Wëssenschaftler, sinn en neie Beschleunigungsrekord (virun der Beschleunegung war et 70 keV) am Terahertz-Beräich.
Awer fir d'Energiedispersioun ze reduzéieren (4), muss en nach méi kuerzen Strahl erreecht ginn.
Bild #5
Am Fall vun engem onkompriméierten agefouerten Strahl, weist d'parabolesch Ofhängegkeet vun der Strahlgréisst op de Stroum d'transversal Emittanz an de horizontalen a vertikale Richtungen op: εx,n = 1.703 mm*mrad an εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
D'Kompressioun huet d'transversal Emissioun ëm 6 Mol verbessert op εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) an εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Et ass derwäert ze bemierken datt de Grad vun der Emissiounsreduktioun ongeféier duebel sou grouss ass wéi de Grad vun der Strahldauerreduktioun, wat e Mooss ass fir d'Netlinearitéit vun der Interaktiounsdynamik mat der Zäit, wann d'Elektronen staark Fokusséieren an defokusséieren vum Magnéitfeld wärend der Beschleunigung (5b и 5c).
Am Bild 5b Et kann gesi ginn datt Elektronen, déi zu der optimaler Zäit agefouert ginn, de ganzen Hallefzyklus vun der elektrescher Feldbeschleunegung erliewen. Awer Elektronen, déi virun oder no der optimaler Zäit ukommen, erliewen manner Beschleunegung a souguer deelweis Verzögerung. Esou Elektronen enden mat manner Energie, ongeféier geschwat.
Eng ähnlech Situatioun gëtt beobachtet wann se un engem Magnéitfeld ausgesat sinn. Elektronen, déi zu der optimaler Zäit injizéiert sinn, erliewen symmetresch Quantitéite vu positiven an negativen Magnéitfelder. Wann d'Aféierung vun Elektronen virun der optimaler Zäit geschitt ass, da waren et méi positiv Felder a manner negativ. Wann Elektronen méi spéit wéi déi optimal Zäit agefouert ginn, ginn et manner positiv a méi negativ (5c). An esou Ofwäichunge féieren zu der Tatsaach, datt den Elektron no lénks, riets, erop oder erof ofwäichen kann, jee no senger Positioun relativ zu der Achs, wat zu enger Erhéijung vum transversale Momentum entsprécht dem Fokus oder defokusséiere vum Strahl.
Fir e méi detailléierte Verständnis vun den Nuancen vun der Studie, ech recommandéieren e Bléck op и fir hien.
Epilogue
Zesummegefaasst wäert d'Beschleunigungsleistung eropgoen wann d'Dauer vum Elektronenstrahl reduzéiert gëtt. An dëser Aarbecht war déi erreechbar Strahldauer limitéiert duerch d'Geometrie vun der Installatioun. Awer, an der Theorie, kann d'Strahlendauer manner wéi 100 fs erreechen.
D'Wëssenschaftler bemierken och datt d'Qualitéit vum Strahl weider verbessert ka ginn andeems d'Héicht vun de Schichten reduzéiert gëtt an hir Zuel erhéijen. Allerdéngs ass dës Method net ouni Probleemer, besonnesch d'Erhéijung vun der Komplexitéit vun der Fabrikatioun vum Apparat.
Dës Aarbecht ass d'Ufanksstadium vun enger méi extensiv an detailléierter Studie vun enger Miniaturversioun vun engem Linearbeschleuniger. Trotz der Tatsaach, datt déi gepréift Versioun schonn excellent Resultater weist, déi zu Recht Rekord-Break genannt ginn, ass et nach vill Aarbecht ze maachen.
Merci fir d'Liesen, bleift virwëtzeg an hunn eng super Woch Kärelen! 🙂
Merci datt Dir bei eis bleift. Hutt Dir eis Artikelen gär? Wëllt Dir méi interessant Inhalt gesinn? Ënnerstëtzt eis andeems Dir eng Bestellung maacht oder Frënn empfeelt, 30% Remise fir Habr Benotzer op engem eenzegaartegen Analog vun Entry-Level Serveren, dee vun eis fir Iech erfonnt gouf: (verfügbar mat RAID1 an RAID10, bis zu 24 Kären a bis zu 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 Mol méi bëlleg? Nëmmen hei an Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vun $99! Liest iwwer
Source: will.com