Žinomas principas „daugiau yra galingesnis“ jau seniai įsitvirtino daugelyje visuomenės sektorių, įskaitant mokslą ir technologijas. Tačiau šiuolaikinėje realybėje posakio „mažas, bet galingas“ praktinis įgyvendinimas tampa vis dažnesnis. Tai pasireiškia ir kompiuteriuose, kurie anksčiau užėmė visą kambarį, o dabar telpa į vaiko delną, ir įkrautuose dalelių greitintuvuose. Taip, pamenate Didįjį hadronų greitintuvą (LHC), kurio įspūdingi matmenys (26 659 m ilgio) pažodžiui nurodyti jo pavadinime? Taigi, pasak DESY mokslininkų, sukūrusių miniatiūrinę greitintuvo versiją, kuri savo našumu nenusileidžia viso dydžio pirmtakui, tai jau praeitis. Be to, mini greitintuvas netgi nustatė naują pasaulio rekordą tarp terahercinių greitintuvų, padvigubindamas įterptųjų elektronų energiją. Kaip buvo sukurtas miniatiūrinis greitintuvas, kokie pagrindiniai jo veikimo principai, ką parodė praktiniai eksperimentai? Tai mums padės išsiaiškinti tyrimo grupės ataskaita. Eik.
Tyrimo pagrindas
Pasak Dongfang Zhang ir jo kolegų iš DESY (vok. elektronų sinchrotrono), sukūrusių mini greitintuvą, itin greiti elektronų šaltiniai vaidina neįtikėtinai svarbų vaidmenį šiuolaikinės visuomenės gyvenime. Daugelis jų atsiranda medicinoje, elektronikos kūrime ir moksliniuose tyrimuose. Didžiausia dabartinių linijinių greitintuvų, naudojančių radijo dažnių generatorius, problema yra didelė jų kaina, sudėtinga infrastruktūra ir įspūdingas energijos suvartojimas. Ir tokie trūkumai labai apriboja tokių technologijų prieinamumą platesniam vartotojų ratui.
Šios akivaizdžios problemos yra puiki paskata kurti įrenginius, kurių dydis ir energijos suvartojimas nesukels siaubo.
Tarp santykinių naujovių šioje pramonės šakoje yra teraherciniai greitintuvai, kurie turi keletą „privalumų“:
- Tikimasi, kad trumpos bangos ir trumpi terahercinės spinduliuotės impulsai žymiai padidins slenkstį palaužti*, kurį sukelia laukas, dėl kurio padidės pagreičio gradientai;
Elektros gedimas* - staigus srovės stiprumo padidėjimas, kai įtampa yra didesnė už kritinę.
- veiksmingų didelio lauko terahercinės spinduliuotės generavimo metodų buvimas leidžia atlikti vidinę elektronų ir sužadinimo laukų sinchronizaciją;
- Kuriant tokius įrenginius galima naudoti klasikinius metodus, tačiau jų savikaina, gamybos laikas ir dydis labai sumažės.
Mokslininkai mano, kad jų milimetro skalės terahercinis greitintuvas yra kompromisas tarp įprastų šiuo metu turimų greitintuvų ir kuriamų mikro greitintuvų, tačiau dėl labai mažų matmenų turinčių daug trūkumų.
Tyrėjai neneigia, kad terahercų pagreičio technologija buvo kuriama jau kurį laiką. Tačiau, jų nuomone, šioje srityje dar yra daug neištirtų, neišbandytų ir neįgyvendintų aspektų.
Savo darbe, kurį šiandien svarstome, mokslininkai demonstruoja STEAM galimybes (segmentuotas terahercinis elektronų greitintuvas ir manipuliatorius) – segmentuotas terahercinis elektronų greitintuvas ir manipuliatorius. STEAM leidžia sumažinti elektronų pluošto ilgį iki subpikosekundės trukmės, taip užtikrinant pagreičio fazės valdymą femtosekundėmis.
Pavyko pasiekti 200 MV/m (MV – megavoltas) pagreičio lauką, dėl kurio gaunamas rekordinis > 70 keV (kiloelektronvoltų) terahercinis pagreitis iš įterpto elektronų pluošto, kurio energija yra 55 keV. Tokiu būdu buvo gauti pagreitinti elektronai iki 125 keV.
Įrenginio struktūra ir įgyvendinimas
Vaizdas Nr. 1: tiriamo įrenginio schema.
1-2 paveikslas: a - sukurtos 5 sluoksnių segmentinės struktūros diagrama, b - apskaičiuoto pagreičio ir elektronų sklidimo krypties santykis.
Elektronų pluoštai (55 keV) generuojami iš elektronų pistoletas* ir įvedami į terahercinį STEAM maišytuvą (spindulių kompresorių), po kurio jie patenka į STEAM-linac (linijinis greitintuvas*).
elektroninis pistoletas* — įtaisas reikiamos konfigūracijos ir energijos elektronų pluoštui generuoti.
Linijinis greitintuvas* - greitintuvas, kuriame įkrautos dalelės praeina per struktūrą tik vieną kartą, o tai skiria linijinį greitintuvą nuo ciklinio (pavyzdžiui, LHC).
Abu STEAM įrenginiai gauna terahercinius impulsus iš vieno artimojo infraraudonųjų spindulių (NIR) lazerio, kuris taip pat iššauna elektronų pistoleto fotokatodą, todėl vyksta vidinė elektronų sinchronizacija ir greitėjantys laukai. Ultravioletiniai impulsai fotoemisijai fotokatodu generuojami dviem nuosekliais etapais GVG* Pagrindinis artimos infraraudonųjų spindulių šviesos bangos ilgis. Šis procesas 1020 nm lazerio impulsą pirmiausia paverčia į 510 nm, o paskui į 255 nm.
GVG* (optinė antroji harmonikų generacija) yra to paties dažnio fotonų sujungimo procesas sąveikaujant su netiesine medžiaga, dėl kurio susidaro nauji fotonai, kurių energija ir dažnis yra dvigubai didesnis, taip pat perpus mažesnis bangos ilgis.
Likusi NIR lazerio spindulio dalis yra padalinta į 4 pluoštus, kurie naudojami keturiems vieno ciklo teraherciniams impulsams generuoti generuojant impulsų dažnių skirtumus.
Tada du teraherciniai impulsai perduodami į kiekvieną STEAM įrenginį per simetriškas rago struktūras, kurios nukreipia terahercų energiją į sąveikos sritį elektronų sklidimo kryptimi.
Kai elektronai patenka į kiekvieną STEAM įrenginį, juos veikia elektriniai ir magnetiniai komponentai Lorenco pajėgos*.
Lorenco jėga* - jėga, kuria elektromagnetinis laukas veikia įkrautą dalelę.
Šiuo atveju elektrinis laukas yra atsakingas už pagreitį ir lėtėjimą, o magnetinis laukas sukelia šoninius nuokrypius.
2 vaizdas
Kaip matome vaizduose 2 и 2b, Kiekviename STEAM įrenginyje teraherciniai pluoštai yra padalinti skersai plonais metalo lakštais į kelis įvairaus storio sluoksnius, kurių kiekvienas veikia kaip bangolaidis, perduodantis dalį visos energijos į sąveikos sritį. Kiekviename sluoksnyje taip pat yra dielektrinės plokštės, koordinuojančios teraherco atvykimo laiką bangų frontas* su elektronų priekiu.
Bangos frontas* - paviršius, kurį pasiekė banga.
Abu STEAM įrenginiai veikia elektriniu režimu, tai yra taip, kad sąveikos zonos centre sukuria elektrinį lauką ir slopina magnetinį lauką.
Pirmajame įrenginyje elektronai turi praeiti pro šalį nulinis kirtimas* terahercinis laukas, kuriame elektrinio lauko laiko gradientai yra maksimaliai padidinami, o vidutinis laukas sumažinamas iki minimumo.
Nulinis kirtimas* - taškas, kuriame nėra įtampos.
Dėl šios konfigūracijos elektronų pluošto uodega pagreitėja, o jo galva sulėtėja, todėl susidaro balistinis išilginis fokusavimas (2 и 2-ieji).
Antrajame įrenginyje elektronų ir terahercų spinduliuotės sinchronizavimas nustatytas taip, kad elektronų pluoštas patirtų tik neigiamą terahercinio elektrinio lauko ciklą. Dėl šios konfigūracijos gaunamas grynasis nuolatinis pagreitis (2b и 2d).
NIR lazeris primena kriogeniniu būdu aušinamą Yb:YLF sistemą, kuri gamina 1.2 ps trukmės optinius impulsus ir 50 mJ energiją esant 1020 nm bangos ilgiui ir 10 Hz pasikartojimo dažniui. O teraherciniai impulsai, kurių centrinis dažnis yra 0.29 terahercas (periodas 3.44 ps), generuojami pasvirusio impulso priekio metodu.
STEAM-buncher (pluošto kompresoriaus) maitinimui buvo naudojama tik 2 x 50 nJ terahercų energijos, o STEAM-linac (tiesiniam greitintuvui) reikėjo 2 x 15 mJ.
Abiejų STEAM įrenginių įleidimo ir išleidimo angų skersmuo yra 120 mikronų.
Spindulinis kompresorius sukonstruotas iš trijų vienodo aukščio (0 mm) sluoksnių, kuriuose yra 225 ir 4.41 mm ilgio lydytos silicio dioksido plokštės (ϵr = 0.42), skirtos laikui valdyti. Vienodi kompresoriaus sluoksnių aukščiai atspindi tai, kad nėra pagreičio (2-ieji).
Bet tiesiniame greitintuve aukščiai jau skiriasi - 0.225, 0.225 ir 0.250 mm (+ lydytos kvarco plokštės 0.42 ir 0.84 mm). Sluoksnio aukščio padidėjimas paaiškina elektronų greičio padidėjimą pagreičio metu.
Mokslininkai pažymi, kad sluoksnių skaičius yra tiesiogiai atsakingas už kiekvieno iš dviejų įrenginių funkcionalumą. Pavyzdžiui, norint pasiekti didesnį pagreičio greitį, norint optimizuoti sąveiką, reikės daugiau sluoksnių ir skirtingų aukščio konfigūracijų.
Praktinių eksperimentų rezultatai
Pirma, tyrėjai primena, kad tradiciniuose radijo dažnių greitintuvuose įterpto elektronų pluošto laikinojo apimties įtaka pagreitinto pluošto savybėms atsiranda dėl elektrinio lauko pasikeitimo, atsirandančio sąveikaujant skirtingiems elektronams ateinančiame pluošte. skirtingu laiku. Taigi galima tikėtis, kad didesnio gradiento laukai ir ilgesnės trukmės spinduliai padidins energijos sklaidą. Ilgai suleidžiami spinduliai taip pat gali sukelti didesnes vertes emisijos*.
Spinduliuotė* — fazinė erdvė, kurią užima pagreitintas įkrautų dalelių pluoštas.
Terahercinio greitintuvo atveju sužadinimo lauko periodas yra maždaug 200 kartų trumpesnis. Vadinasi, įtampa* palaikomas laukas bus 10 kartų didesnis.
Elektrinio lauko stiprumas* - elektrinio lauko indikatorius, lygus jėgos, veikiančios tam tikrame lauko taške esantį stacionarų taškinį krūvį, ir šio krūvio dydžio santykiui.
Taigi teraherciniame greitintuve elektronų patiriami lauko gradientai gali būti keliomis eilėmis didesni nei įprastame įrenginyje. Laiko skalė, kurioje pastebimas lauko kreivumas, bus žymiai mažesnis. Iš to išplaukia, kad įvesto elektronų pluošto trukmė turės ryškesnį poveikį.
Mokslininkai nusprendė šias teorijas išbandyti praktiškai. Norėdami tai padaryti, jie pristatė skirtingos trukmės elektronų pluoštus, kurie buvo valdomi suspaudimo būdu, naudojant pirmąjį STEAM įrenginį (STEAM-buncher).
3 vaizdas
Tuo atveju, kai kompresorius nebuvo prijungtas prie maitinimo šaltinio, maždaug 55 mm elektronų pluoštai (1 keV), kurių krūvis buvo ~300 fC (femtokulombas), praėjo nuo elektronų pistoleto iki tiesinio greitintuvo (STEAM-linac). Šie elektronai gali plėstis veikiami erdvės krūvio jėgų iki daugiau nei 1000 fs (femtosekundžių).
Per šią trukmę elektronų spindulys užėmė apie 60% greitėjimo lauko pusės bangos ilgio 1,7 ps dažniu, todėl energijos spektras po pagreičio, kurio smailė buvo 115 keV ir pusė energijos pasiskirstymo pločio. didesnė nei 60 keV (3).
Norint palyginti šiuos rezultatus su laukiamais, buvo modeliuojama elektronų sklidimo per linijinį greitintuvą situacija, kai elektronai nebuvo sinchronizuojami su optimaliu įpurškimo laiku. Šios situacijos skaičiavimai parodė, kad elektronų energijos padidėjimas labai priklauso nuo injekcijos momento iki subpikosekundės laiko skalės (3b). Tai yra, esant optimaliam nustatymui, elektronas patirs visą terahercų spinduliuotės pagreičio ciklą kiekviename sluoksnyje (3-ieji).
Jei elektronai atvyksta skirtingu laiku, pirmame sluoksnyje jie patiria mažesnį pagreitį, todėl jiems reikia ilgiau keliauti per jį. Tada desinchronizacija didėja kituose sluoksniuose, sukeldama nepageidaujamą sulėtėjimą (3d).
Siekiant sumažinti neigiamą elektronų pluošto laikinojo išplėtimo poveikį, pirmasis STEAM įrenginys veikė suspaudimo režimu. Elektronų pluošto trukmė linacijoje buvo optimizuota iki mažiausiai ~ 350 fs (pusės pločio), reguliuojant kompresoriui tiekiamą terahercų energiją ir perjungiant linacą į perėjimo režimą (4b).
4 vaizdas
Minimali spindulio trukmė buvo nustatyta atsižvelgiant į fotokatodo UV impulso trukmę, kuri buvo ~ 600 fs. Atstumas tarp kompresoriaus ir juostos taip pat suvaidino svarbų vaidmenį, kuris ribojo storinimo jėgos greitį. Kartu šios priemonės leidžia pasiekti femtosekundžių tikslumą pagreičio fazės įpurškimo fazėje.
Vaizde 4 matyti, kad suspausto elektronų pluošto energijos sklaida po optimizuoto pagreičio tiesiniame greitintuve, lyginant su nesuspaustu, sumažėja ~ 4 kartus. Dėl pagreičio suspausto pluošto energijos spektras pasislenka aukštesnių energijų link, priešingai nei nesuspausto pluošto. Energijos spektro smailė po pagreičio yra apie 115 keV, o didelės energijos uodega siekia apie 125 keV.
Šie skaičiai, kukliu mokslininkų teiginiu, yra naujas pagreičio rekordas (prieš įsibėgėjimą buvo 70 keV) terahercų diapazone.
Tačiau siekiant sumažinti energijos sklaidą (4), turi būti pasiektas dar trumpesnis spindulys.
5 vaizdas
Nesuspausto įvesto pluošto atveju parabolinė pluošto dydžio priklausomybė nuo srovės atskleidžia skersinę spinduliuotę horizontalia ir vertikalia kryptimis: εx,n = 1.703 mm*mrad ir εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
Suspaudimas savo ruožtu pagerino skersinę spinduliuotę 6 kartus iki εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontalus) ir εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikaliai).
Verta paminėti, kad spinduliuotės sumažėjimo laipsnis yra maždaug dvigubai didesnis už pluošto trukmės sumažėjimo laipsnį, kuris yra sąveikos dinamikos netiesiškumo matas su laiku, kai elektronai patiria stiprų magnetinio lauko fokusavimą ir defokusavimą pagreičio metu (5b и 5-ieji).
Vaizde 5b Matyti, kad optimaliu laiku įvesti elektronai patiria visą elektrinio lauko pagreičio pusę. Tačiau elektronai, atvykę prieš optimalų laiką arba po jo, patiria mažesnį pagreitį ir net dalinį lėtėjimą. Tokie elektronai, grubiai tariant, gauna mažiau energijos.
Panaši situacija stebima ir veikiant magnetiniam laukui. Optimaliu laiku įšvirkšti elektronai patiria simetrišką teigiamų ir neigiamų magnetinių laukų kiekį. Jei elektronų įvedimas įvyko anksčiau nei optimalus laikas, tada buvo daugiau teigiamų laukų ir mažiau neigiamų. Jei elektronai bus įvesti vėliau nei optimalus laikas, bus mažiau teigiamų ir daugiau neigiamų (5-ieji). Ir tokie nukrypimai lemia tai, kad elektronas gali nukrypti į kairę, dešinę, aukštyn arba žemyn, priklausomai nuo jo padėties ašies atžvilgiu, o tai lemia skersinio impulso padidėjimą, atitinkantį pluošto fokusavimą arba defokusavimą.
Išsamiau susipažinti su tyrimo niuansais rekomenduoju pažiūrėti и jam.
Epilogas
Apibendrinant galima pasakyti, kad greitintuvo našumas padidės, jei sumažės elektronų pluošto trukmė. Šiame darbe pasiekiamą spindulio trukmę ribojo įrenginio geometrija. Tačiau teoriškai spindulio trukmė gali siekti mažiau nei 100 fs.
Mokslininkai taip pat pastebi, kad sijos kokybę galima dar pagerinti sumažinus sluoksnių aukštį ir padidinus jų skaičių. Tačiau šis metodas nėra be problemų, ypač padidina įrenginio gamybos sudėtingumą.
Šis darbas yra pradinis išsamesnio ir išsamesnio linijinio greitintuvo miniatiūrinės versijos tyrimo etapas. Nepaisant to, kad išbandyta versija jau rodo puikius rezultatus, kuriuos pelnytai galima vadinti rekordiniais, darbo dar yra daug.
Ačiū už dėmesį, būkite smalsūs ir geros savaitės visiems! 🙂
Dėkojame, kad likote su mumis. Ar jums patinka mūsų straipsniai? Norite pamatyti įdomesnio turinio? Palaikykite mus pateikdami užsakymą ar rekomenduodami draugams, 30% nuolaida Habr vartotojams unikaliam pradinio lygio serverių analogui, kurį mes sugalvojome jums: (galima su RAID1 ir RAID10, iki 24 branduolių ir iki 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 kartus pigiau? Tik čia Olandijoje! „Dell R420“ – 2 x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB – nuo 99 USD! Skaityti apie
Šaltinis: www.habr.com