Познатиот принцип „повеќе е помоќно“ одамна е воспоставен во многу сектори на општеството, вклучително и науката и технологијата. Сепак, во современите реалности, практичната имплементација на изреката „мал, но моќен“ станува сè почеста. Ова се манифестира како кај компјутерите кои претходно зафаќале цела просторија, но сега се вклопуваат во дланката на детето, така и кај акцелераторите на наелектризирани честички. Да, се сеќавате на Големиот хадронски судирач (LHC), чии импресивни димензии (26 m во должина) се буквално означени во неговото име? Значи, ова е веќе минато, велат научниците од DESY, кои развија минијатурна верзија на педалот за гас, која не е инфериорна во перформансите на претходникот со целосна големина. Покрај тоа, мини акцелераторот дури постави нов светски рекорд меѓу терахерцните забрзувачи, удвојувајќи ја енергијата на вградените електрони. Како е развиен минијатурниот акцелератор, кои се основните принципи на неговата работа и што покажале практичните експерименти? Извештајот на истражувачката група ќе ни помогне да дознаеме за ова. Оди.
Истражувачка основа
Според Донгфанг Џанг и неговите колеги од DESY (германски електронски синхротрон), кои го развија мини-акцелераторот, ултрабрзите извори на електрони играат неверојатно важна улога во животот на современото општество. Многу од нив се појавуваат во медицината, развојот на електрониката и научните истражувања. Најголемиот проблем со сегашните линеарни акцелератори кои користат осцилатори на радиофреквенција е нивната висока цена, сложената инфраструктура и импресивната потрошувачка на енергија. И таквите недостатоци во голема мера ја ограничуваат достапноста на таквите технологии за поширок опсег на корисници.
Овие очигледни проблеми се голем поттик за развој на уреди чија големина и потрошувачка на енергија нема да предизвикаат ужас.
Меѓу релативните новитети во оваа индустрија се терахерцните акцелератори, кои имаат голем број „придобивки“:
- Се очекува дека кратките бранови и кратките импулси на терахерцното зрачење значително ќе го зголемат прагот се расипа*, предизвикано од полето, што ќе ги зголеми наклоните на забрзувањето;
електричен дефект * - нагло зголемување на јачината на струјата кога се применува напон над критичното.
- присуството на ефективни методи за генерирање на високо-поле терахерцно зрачење овозможува внатрешна синхронизација помеѓу електроните и полињата на побудување;
- За создавање на такви уреди може да се користат класични методи, но нивната цена, време на производство и големина ќе бидат значително намалени.
Научниците веруваат дека нивниот терахерц-акцелератор со милиметарски размер е компромис помеѓу конвенционалните акцелератори кои се достапни во моментов и микро-акцелераторите кои се развиваат, но имаат многу недостатоци поради нивните многу мали димензии.
Истражувачите не негираат дека технологијата за забрзување на терахерц е во развој веќе некое време. Сепак, според нивното мислење, сè уште има многу аспекти во оваа област кои не се проучени, тестирани или имплементирани.
Во нивната работа, која ја разгледуваме денес, научниците ги демонстрираат способностите на STEAM (сегментиран терахерц електронски акцелератор и манипулатор) - сегментиран терахерц електронски забрзувач и манипулатор. STEAM дозволува должината на електронскиот сноп да се намали на времетраење под пикосекунда, со што се обезбедува фемтосекунда контрола врз фазата на забрзување.
Беше можно да се постигне поле на забрзување од 200 MV/m (MV - мегаволт), што доведува до рекордно терахерциско забрзување од > 70 keV (килоелектронволт) од вградениот електронски сноп со енергија од 55 keV. На овој начин се добиваа забрзани електрони до 125 keV.
Структура и имплементација на уредот
Слика бр. 1: дијаграм на уредот што се проучува.
Слика бр. 1-2: а - дијаграм на развиената 5-слојна сегментирана структура, b - сооднос на пресметаното забрзување и насока на ширење на електроните.
Електронските снопови (55 keV) се генерираат од електронски пиштол * и се внесуваат во терахерцниот STEAM-buncher (компресор на зрак), по што преминуваат во STEAM-linac (линеарен акцелератор*).
Електронски пиштол* — уред за генерирање на зрак од електрони со потребната конфигурација и енергија.
Линеарен акцелератор* - акцелератор во кој наелектризираните честички минуваат низ структурата само еднаш, што го разликува линеарниот забрзувач од цикличниот (на пример, LHC).
И двата уреди STEAM добиваат терахерцни импулси од еден близу инфрацрвен (NIR) ласер, кој исто така ја испушта фотокатодата на електронскиот пиштол, што резултира со внатрешна синхронизација помеѓу електроните и полето за забрзување. Ултравиолетовите импулси за фотоемисија на фотокатодата се генерираат низ две последователни фази GVG* основна бранова должина на блиска инфрацрвена светлина. Овој процес конвертира ласерски пулс од 1020 nm прво во 510 nm, а потоа во 255 nm.
GVG* (оптичка втора хармонска генерација) е процес на комбинирање фотони со иста фреквенција при интеракција со нелинеарен материјал, што доведува до формирање на нови фотони со двојно поголема енергија и фреквенција, како и половина од брановата должина.
Остатокот од NIR ласерскиот зрак е поделен на 4 зраци, кои се користат за генерирање на четири терахерцни импулси со еден циклус со генерирање на фреквентни разлики во интра-пулсот.
Двата терахерци импулси потоа се доставуваат до секој уред STEAM преку симетрични структури на рогови кои ја насочуваат енергијата на терахерцот во регионот на интеракцијата низ насоката на ширење на електроните.
Кога електроните влегуваат во секој уред STEAM, тие се изложени на електрични и магнетни компоненти Силите на Лоренц*.
Лоренцова сила* - силата со која електромагнетното поле делува на наелектризираната честичка.
Во овој случај, електричното поле е одговорно за забрзување и забавување, а магнетното поле предизвикува странични отклонувања.
Слика бр. 2
Како што гледаме на сликите 2 и 2b, Внатре во секој уред STEAM, терахерцните зраци се поделени попречно со тенки метални лимови на неколку слоеви со различна дебелина, од кои секој делува како брановод, пренесувајќи дел од вкупната енергија во областа на интеракцијата. Во секој слој има и диелектрични плочи за да го координираат времето на пристигнување на терахерците преден бран* со предниот дел на електроните.
Бранов фронт* - површината до која стигнал бранот.
Двата уреди STEAM работат во електричен режим, односно на таков начин што ќе применат електрично поле и ќе го потиснат магнетното поле во центарот на областа за интеракција.
Во првиот уред, електроните се темпирани да поминат низ нулта премин* терахерцово поле, каде временските градиенти на електричното поле се максимизирани, а просечното поле е минимизирано.
Нулта премин* - точка каде што нема тензија.
Оваа конфигурација предизвикува опашката на електронскиот зрак да се забрза и неговата глава да се забавува, што резултира со балистичко надолжно фокусирање (2 и 2-ти).
Во вториот уред, синхронизацијата на електронското и терахерцното зрачење е поставена така што електронскиот сноп доживува само негативен циклус на терахерцното електрично поле. Оваа конфигурација резултира со нето континуирано забрзување (2b и 2d).
NIR ласерот е криогенски ладен Yb:YLF систем кој произведува оптички импулси со времетраење од 1.2 ps и енергија од 50 mJ на бранова должина од 1020 nm и брзина на повторување од 10 Hz. И терахерцните импулси со централна фреквенција од 0.29 терахерци (период од 3.44 ps) се генерираат со методот на наклонет импулсен фронт.
За напојување на STEAM-buncher (компресор на зрак) се користеа само 2 x 50 nJ терахерци енергија, а на STEAM-linac (линеарен акцелератор) беа потребни 2 x 15 mJ.
Дијаметарот на влезните и излезните дупки на двата уреди STEAM е 120 микрони.
Компресорот на греди е дизајниран со три слоја со еднаква висина (0 mm), кои се опремени со сплотена силика плочи (εr = 225) со должина 4.41 и 0.42 mm за контрола на времето. Еднаквите висини на слоевите на компресорот го одразуваат фактот дека нема забрзување (2-ти).
Но, во линеарниот акцелератор висините се веќе различни - 0.225, 0.225 и 0.250 mm (+ сплотени кварцни плочи 0.42 и 0.84 mm). Зголемувањето на висината на слојот го објаснува зголемувањето на брзината на електроните за време на забрзувањето.
Научниците забележуваат дека бројот на слоеви е директно одговорен за функционалноста на секој од двата уреди. Постигнувањето на повисоки стапки на забрзување, на пример, ќе бара повеќе слоеви и различни конфигурации за висина за да се оптимизира интеракцијата.
Резултати од практични експерименти
Прво, истражувачите потсетуваат дека во традиционалните радиофреквенциски забрзувачи, ефектот на временскиот опсег на вградениот електронски зрак врз својствата на забрзаниот зрак се должи на промената на електричното поле што се доживува за време на интеракцијата на различни електрони во зракот што пристигнува. во различни времиња. Така, може да се очекува дека полињата со повисоки градиенти и греди со подолго траење ќе доведат до поголемо ширење на енергијата. Инјектираните греди со долго траење исто така може да доведат до повисоки вредности емисии *.
Емитанс* — фазен простор окупиран од забрзан зрак на наелектризирани честички.
Во случај на терахерц-акцелератор, периодот на полето на возбуда е приближно 200 пати пократок. Оттука, тензија * поддржаното поле ќе биде 10 пати поголемо.
Јачина на електричното поле * - индикатор за електричното поле, еднаков на односот на силата применета на стационарно точкаст полнеж поставен во дадена точка на полето до големината на ова полнење.
Така, во терахерц акцелератор, градиентите на полето што ги доживуваат електроните може да бидат неколку реда на големина повисоки отколку кај конвенционалниот уред. Временската скала на која е забележлива закривеноста на полето ќе биде значително помала. Од ова произлегува дека времетраењето на внесениот електронски сноп ќе има поизразен ефект.
Научниците решија да ги тестираат овие теории во пракса. За да го направат ова, тие воведоа електронски зраци со различно времетраење, кои беа контролирани со компресија користејќи го првиот уред STEAM (STEAM-buncher).
Слика бр. 3
Во случај кога компресорот не бил поврзан со извор на енергија, зраците од електрони (55 keV) со полнење од ~ 1 fC (фемтокулом) поминале приближно 300 mm од електронскиот пиштол до уредот за линеарен забрзувач (STEAM-linac). Овие електрони би можеле да се прошират под влијание на силите на вселенскиот полнеж до времетраење од повеќе од 1000 fs (фемтосекунди).
Во ова времетраење, електронскиот зрак зафаќал околу 60% од полубрановата должина на полето за забрзување со фреквенција од 1,7 ps, што резултирало со енергетски спектар по забрзување со врв на 115 keV и половина ширина на дистрибуцијата на енергија поголема од 60 keV (3).
За да се споредат овие резултати со очекуваните, ситуацијата на ширење на електрони преку линеарен акцелератор беше симулирана кога електроните не беа синхронизирани со (т.е. не синхронизирани со) оптималното време на инјектирање. Пресметките на оваа ситуација покажаа дека зголемувањето на енергијата на електронот е многу зависно од моментот на инјектирање, до субпикосекунда временска скала (3b). Односно, со оптимално поставување, електронот ќе доживее целосен полуциклус на забрзување на терахерцното зрачење во секој слој (3-ти).
Ако електроните пристигнат во различно време, тие доживуваат помало забрзување во првиот слој, поради што им треба подолго време да патуваат низ него. Десинхронизацијата потоа се зголемува во следните слоеви, предизвикувајќи несакано забавување (3d).
Со цел да се минимизира негативниот ефект на временското продолжување на електронскиот зрак, првиот уред STEAM работеше во режим на компресија. Времетраењето на електронскиот сноп во линакот беше оптимизирано на минимум ~ 350 fs (половина ширина) со дотерување на енергијата на терахерцот што се доставува до компресорот и префрлување на линакот во режим на шрафирање (4b).
Слика бр. 4
Минималното времетраење на зракот беше поставено во согласност со времетраењето на фотокатодниот УВ пулс, кој беше ~ 600 fs. Растојанието помеѓу компресорот и лентата исто така одигра важна улога, што ја ограничи брзината на силата на згуснување. Заедно, овие мерки овозможуваат фемтосекунда прецизност во фазата на инјектирање на фазата на забрзување.
На сликата 4 може да се види дека енергетското ширење на компримираниот електронски сноп по оптимизираното забрзување во линеарен акцелератор се намалува за ~ 4 пати во споредба со некомпресираниот. Поради забрзувањето, енергетскиот спектар на компримираниот зрак се поместува кон повисоки енергии, за разлика од некомпресираниот зрак. Врвот на енергетскиот спектар по забрзувањето е околу 115 keV, а високоенергетската опашка достигнува околу 125 keV.
Овие бројки, според скромната изјава на научниците, се нов рекорд на забрзување (пред забрзувањето беше 70 keV) во опсегот на терахерци.
Но, со цел да се намали енергетската дисперзија (4), мора да се постигне уште пократок сноп.
Слика бр. 5
Во случај на некомпресиран внесен сноп, параболичната зависност на големината на зракот од струјата ја открива попречната емисија во хоризонтална и вертикална насока: εx,n = 1.703 mm*mrad и εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
Компресијата, пак, ја подобри попречната емисија за 6 пати до εx,n = 0,285 mm*mrad (хоризонтално) и εy,n = 0,246 mm*mrad (вертикално).
Вреди да се напомене дека степенот на намалување на емитацијата е приближно двојно поголем од степенот на намалување на времетраењето на зракот, што е мерка за нелинеарноста на динамиката на интеракцијата со времето кога електроните доживуваат силно фокусирање и дефокусирање на магнетното поле за време на забрзувањето (5b и 5-ти).
На сликата 5b Може да се види дека електроните внесени во оптимално време го доживуваат целиот полуциклус на забрзувањето на електричното поле. Но, електроните кои пристигнуваат пред или по оптималното време доживуваат помалку забрзување, па дури и делумно забавување. Таквите електрони на крајот добиваат помалку енергија, грубо кажано.
Слична ситуација се забележува кога се изложени на магнетно поле. Електроните инјектирани во оптимално време доживуваат симетрични количини на позитивни и негативни магнетни полиња. Ако воведувањето на електроните се случило пред оптималното време, тогаш имало повеќе позитивни полиња, а помалку негативни. Ако електроните се внесат подоцна од оптималното време, ќе има помалку позитивни и повеќе негативни (5-ти). И таквите отстапувања доведуваат до фактот дека електронот може да отстапува лево, десно, нагоре или надолу, во зависност од неговата положба во однос на оската, што доведува до зголемување на попречниот моментум што одговара на фокусирање или дефокусирање на зракот.
За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете и до него.
Епилог
Накратко, перформансите на забрзувачот ќе се зголемат ако се намали времетраењето на електронскиот зрак. Во оваа работа, достижното времетраење на зракот беше ограничено од геометријата на инсталацијата. Но, во теорија, времетраењето на зракот може да достигне помалку од 100 fs.
Научниците исто така забележуваат дека квалитетот на зракот може дополнително да се подобри со намалување на висината на слоевите и зголемување на нивниот број. Сепак, овој метод не е без проблеми, особено зголемување на сложеноста на производството на уредот.
Ова дело е почетна фаза на пообемно и подетално проучување на минијатурна верзија на линеарен акцелератор. И покрај тоа што тестираната верзија веќе покажува одлични резултати, што со право може да се нарече рекордерско, има уште многу работа.
Ви благодариме за вниманието, останете љубопитни и имајте одлична недела на сите! 🙂
Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, 30% попуст за корисниците на Habr на уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој го измисливме ние за вас: (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 пати поевтин? Само овде во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за
Извор: www.habr.com