Шинжлэх ухаан, технологи зэрэг нийгмийн олон салбарт “Илүү их хүчтэй” гэсэн танил зарчим бий болоод удаж байна. Гэсэн хэдий ч орчин үеийн бодит байдалд "жижиг, гэхдээ хүчирхэг" гэсэн хэллэгийг бодитоор хэрэгжүүлэх нь улам бүр түгээмэл болж байна. Энэ нь өмнө нь бүхэл бүтэн өрөөг эзэлдэг байсан ч одоо хүүхдийн алганд багтах болсон компьютер болон цэнэглэгдсэн бөөмсийн хурдасгуурт хоёуланд нь илэрдэг. Тийм ээ, гайхалтай хэмжээсийг нь (26 м урт) нэрэндээ шууд утгаар нь бичсэн Том Адрон Коллайдерыг (LHC) санаж байна уу? Тиймээс, DESY-ийн эрдэмтдийн үзэж байгаагаар энэ хурдасгуурын жижиг хувилбарыг бүтээсэн бөгөөд энэ нь бүрэн хэмжээний өмнөх загвараас доогуур биш юм. Түүгээр ч барахгүй мини хурдасгуур нь терагерц хурдасгууруудын дунд дэлхийн шинэ дээд амжилтыг тогтоож, суулгагдсан электронуудын энергийг хоёр дахин нэмэгдүүлсэн. Бяцхан хурдасгуур хэрхэн бүтээгдсэн бэ, түүний үйл ажиллагааны үндсэн зарчим юу вэ, практик туршилт юуг харуулсан бэ? Судалгааны бүлгийн тайлан бидэнд энэ талаар олж мэдэхэд тусална. Яв.
Судалгааны үндэс
Мини хурдасгуурыг бүтээсэн Dongfang Zhang болон түүний DESY (Германы электрон синхротрон) дахь хамтран ажиллагсдын үзэж байгаагаар хэт хурдан электрон эх үүсвэрүүд орчин үеийн нийгмийн амьдралд гайхалтай чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Тэдний олонх нь анагаах ухаан, электроникийн хөгжил, шинжлэх ухааны судалгаанд гарч ирдэг. Радио давтамжийн осциллятор ашигладаг шугаман хурдасгууруудын хамгийн том асуудал бол өндөр өртөг, нарийн төвөгтэй дэд бүтэц, гайхалтай эрчим хүчний хэрэглээ юм. Мөн ийм дутагдал нь ийм технологийн хүртээмжийг илүү өргөн хүрээний хэрэглэгчдэд ихээхэн хязгаарладаг.
Эдгээр тодорхой бэрхшээлүүд нь хэмжээ, эрчим хүчний хэрэглээ нь аймшигт байдалд хүргэхгүй төхөөрөмжүүдийг хөгжүүлэхэд маш том хөшүүрэг юм.
Энэ салбарын харьцангуй шинэлэг зүйлүүдийн дунд хэд хэдэн "ашиг тустай" терагерц хурдасгуурууд байдаг.
- Терагерцийн цацрагийн богино долгион, богино импульс нь босго хэмжээг ихээхэн нэмэгдүүлэх төлөвтэй байна. задаргаа*, талбайн улмаас үүссэн бөгөөд энэ нь хурдатгалын налууг нэмэгдүүлэх болно;
Цахилгааны гэмтэл* - критикээс дээш хүчдэл хэрэглэх үед гүйдлийн хүч огцом нэмэгдэх.
- өндөр талбайн терагерц цацраг үүсгэх үр дүнтэй аргууд байгаа нь электронууд болон өдөөх талбаруудын хооронд дотоод синхрончлол хийх боломжийг олгодог;
- Ийм төхөөрөмжийг бий болгохын тулд сонгодог аргуудыг ашиглаж болох боловч тэдгээрийн өртөг, үйлдвэрлэлийн хугацаа, хэмжээ ихээхэн буурах болно.
Эрдэмтэд тэдний миллиметрийн терагерц хурдасгуур нь одоо байгаа ердийн хурдасгуурууд болон бүтээгдэж буй микро хурдасгууруудын хооронд буулт хийсэн боловч маш жижиг хэмжээтэй учраас олон сул талтай гэж эрдэмтэд үзэж байна.
Терагерц хурдатгалын технологи нэлээд удаан хөгжиж байгааг судлаачид үгүйсгэхгүй. Гэвч тэдний үзэж байгаагаар энэ салбарт судлагдаагүй, туршигдаагүй, хэрэгжээгүй олон зүйл байсаар байна.
Эрдэмтэд өнөөдөр бидний авч үзэж байгаа ажилдаа STEAM-ийн чадавхийг харуулж байна (сегментчилсэн терагерц электрон хурдасгуур ба манипулятор) - сегментчилсэн терагерц электрон хурдасгуур ба манипулятор. STEAM нь электрон цацрагийн уртыг пикосекунд хүртэл багасгах боломжийг олгодог бөгөөд ингэснээр хурдатгалын үе шатанд фемтосекундын хяналтыг бий болгодог.
200 МВ/м (МВ - мегавольт) хурдатгалын талбарт хүрэх боломжтой байсан бөгөөд энэ нь 70 кВ-ын энерги бүхий суулгагдсан электрон цацрагаас 55 кВ (килоэлектронвольт) терагерцийн рекорд хурдатгалд хүргэдэг. Ийм байдлаар 125 кВ хүртэл хурдасгасан электронуудыг олж авсан.
Төхөөрөмжийн бүтэц, хэрэгжилт
Зураг No1: судалж буй төхөөрөмжийн диаграмм.
Зураг No 1-2: a - боловсруулсан 5 давхаргатай сегментчилсэн бүтцийн диаграмм, b - тооцоолсон хурдатгал ба электрон тархалтын чиглэлийн харьцаа.
-аас электрон цацраг (55 кВ) үүсдэг электрон буу* ба терагерцийн STEAM-бункер (цацраг компрессор) -д нэвтрүүлсэний дараа тэдгээр нь STEAM-linac (шугаман хурдасгуур*).
Электрон буу* — шаардлагатай тохиргоо, энергийн электрон цацраг үүсгэх төхөөрөмж.
Шугаман хурдасгуур* - Цэнэглэгдсэн хэсгүүд нь зөвхөн нэг удаа бүтэцээр дамждаг хурдасгуур, энэ нь шугаман хурдасгуурыг циклээс ялгадаг (жишээлбэл, LHC).
STEAM төхөөрөмж хоёулаа нэг ойрын хэт улаан туяаны (NIR) лазераас терагерцийн импульс хүлээн авдаг бөгөөд энэ нь электрон бууны фотокатодыг галладаг бөгөөд үүний үр дүнд электронууд болон хурдатгалын талбаруудын хооронд дотоод синхрончлол үүсдэг. Фотокатод дээр гэрэл цацруулах хэт ягаан туяа нь дараалсан хоёр үе шаттайгаар үүсдэг GVG* ойрын хэт улаан туяаны гэрлийн үндсэн долгионы урт. Энэ процесс нь 1020 нм лазер импульсийг эхлээд 510 нм, дараа нь 255 нм болгон хувиргадаг.
GVG* (оптик хоёр дахь гармоник үүсгэх) гэдэг нь шугаман бус материалтай харилцан үйлчлэх үед ижил давтамжтай фотонуудыг нэгтгэх үйл явц бөгөөд энэ нь хоёр дахин их энерги, давтамжтай, түүнчлэн долгионы уртын хагастай шинэ фотон үүсэхэд хүргэдэг.
NIR лазер туяаны үлдсэн хэсэг нь 4 цацрагт хуваагддаг бөгөөд тэдгээр нь импульсийн доторх давтамжийн зөрүүг үүсгэх замаар дөрвөн нэг циклийн терагерц импульс үүсгэхэд ашиглагддаг.
Дараа нь терагерцийн энергийг электрон тархалтын чиглэлд харилцан үйлчлэлийн бүс рүү чиглүүлдэг тэгш хэмтэй эвэр бүтэцээр дамжуулан хоёр терагерцийн импульсийг STEAM төхөөрөмж бүрт хүргэдэг.
STEAM төхөөрөмж бүрт электронууд ороход цахилгаан болон соронзон бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд өртдөг Лоренцын хүч*.
Лоренцын хүч* - цэнэглэгдсэн бөөмс дээр цахилгаан соронзон орон үйлчлэх хүч.
Энэ тохиолдолд цахилгаан орон нь хурдатгал ба удаашралыг хариуцдаг бөгөөд соронзон орон нь хажуугийн хазайлтыг үүсгэдэг.
Зураг №2
Бидний зургуудаас харж байгаагаар 2 и 2b, STEAM төхөөрөмж бүрийн дотор терагерц цацраг нь нимгэн металл хуудсаар хөндлөн хуваагдан янз бүрийн зузаантай хэд хэдэн давхаргад хуваагддаг ба тэдгээр нь тус бүр нь долгион хөтлүүр болж, нийт энергийн нэг хэсгийг харилцан үйлчлэлийн бүсэд шилжүүлдэг. Терагерц ирэх цагийг зохицуулахын тулд давхарга бүрт диэлектрик хавтангууд байдаг долгионы урд* электронуудын урд хэсэгтэй.
Долгионы фронт* - долгион хүрсэн гадаргуу.
STEAM төхөөрөмж хоёулаа цахилгаан горимд ажилладаг, өөрөөр хэлбэл харилцан үйлчлэлийн төвийн төвд цахилгаан орон үүсгэж, соронзон орныг дарах байдлаар ажилладаг.
Эхний төхөөрөмжид электронууд дамжин өнгөрөх хугацаатай байдаг тэг огтлолцол* цахилгаан талбайн цагийн градиентийг дээд зэргээр нэмэгдүүлж, дундаж талбайг багасгасан терагерцийн талбар.
Тэг гарц* - хурцадмал байдал байхгүй цэг.
Энэ тохиргоо нь электрон цацрагийн сүүлийг хурдасгаж, толгойг нь удаашруулж, баллистик уртааш анхаарлаа төвлөрүүлэхэд хүргэдэг (2 и 2c).
Хоёрдахь төхөөрөмжид электрон ба терагерцийн цацрагийн синхрончлолыг электрон цацраг нь зөвхөн терагерцийн цахилгаан талбайн сөрөг мөчлөгийг мэдрэхийн тулд тохируулсан. Энэ тохиргоо нь цэвэр тасралтгүй хурдатгалд хүргэдэг (2b и 2d).
NIR лазер нь криоген хөргөлттэй Yb:YLF системтэй төстэй бөгөөд 1.2 нм долгионы урт, 50 Гц давталтын хурдаар 1020 ps урттай, 10 мЖ энергитэй оптик импульс үүсгэдэг. Мөн 0.29 терагерц (3.44 пс-ийн хугацаа) төв давтамжтай терагерц импульс нь налуу импульсийн урд талын аргаар үүсдэг.
STEAM-buncher (цацраг компрессор)-ыг тэжээхэд ердөө 2 x 50 нЖ терагерц энерги зарцуулсан бол STEAM-linac (шугаман хурдасгуур) нь 2 x 15 мЖ шаардагдана.
Хоёр STEAM төхөөрөмжийн оролт, гаралтын нүхний диаметр нь 120 микрон юм.
Цацрагийн компрессор нь ижил өндөртэй (0 мм) гурван давхаргаар хийгдсэн бөгөөд цаг хугацааг хянахын тулд 225 ба 4.41 мм урттай нийлсэн цахиурын ялтсууд (ϵr = 0.42) тоноглогдсон байна. Компрессорын давхаргын тэгш өндөр нь хурдатгал байхгүй гэдгийг харуулж байна (2c).
Гэхдээ шугаман хурдасгуурт өндөр нь аль хэдийн өөр байна - 0.225, 0.225 ба 0.250 мм (+ хайлсан кварцын хавтан 0.42 ба 0.84 мм). Давхаргын өндрийн өсөлт нь хурдатгалын үед электронуудын хурд нэмэгдэж байгааг тайлбарладаг.
Эрдэмтэд давхаргын тоо нь хоёр төхөөрөмж бүрийн үйл ажиллагааг шууд хариуцдаг болохыг тэмдэглэжээ. Жишээлбэл, хурдатгалын хурдыг нэмэгдүүлэхийн тулд харилцан үйлчлэлийг оновчтой болгохын тулд илүү олон давхарга, өөр өөр өндрийн тохиргоо шаардлагатай болно.
Практик туршилтын үр дүн
Нэгдүгээрт, уламжлалт радио давтамжийн хурдасгуурт суулгагдсан электрон цацрагийн түр зуурын хэмжээ нь түргэвчилсэн цацрагийн шинж чанарт үзүүлэх нөлөө нь ирж буй цацраг дотор янз бүрийн электронуудын харилцан үйлчлэлийн явцад үүссэн цахилгаан талбайн өөрчлөлттэй холбоотой гэдгийг судлаачид сануулж байна. өөр өөр цаг үед. Тиймээс илүү өндөр налуутай талбайнууд ба урт хугацааны цацрагууд нь илүү их эрчим хүчний тархалтад хүргэнэ гэж таамаглаж болно. Удаан хугацааны туршид тарьсан цацрагууд нь илүү өндөр утгуудад хүргэдэг ялгаруулалт*.
Ялгаралт* - цэнэглэгдсэн бөөмсийн хурдасгасан цацраг эзэлсэн фазын орон зай.
Терагерцийн хурдасгуурын хувьд өдөөх талбайн хугацаа ойролцоогоор 200 дахин богино байна. Тиймээс, хурцадмал байдал* дэмжигдсэн талбар нь 10 дахин их байх болно.
Цахилгаан талбайн хүч* - талбайн өгөгдсөн цэг дээр байрлуулсан хөдөлгөөнгүй цэгийн цэнэгт үзүүлэх хүчийг энэ цэнэгийн хэмжээтэй харьцуулсан харьцаатай тэнцүү цахилгаан талбайн үзүүлэлт.
Тиймээс терагерц хурдасгуурт электронуудын мэдэрсэн талбайн градиент нь ердийн төхөөрөмжөөс хэд хэдэн удаа илүү байж болно. Талбайн муруйлт мэдэгдэхүйц байх хугацаа нь мэдэгдэхүйц бага байх болно. Үүнээс үзэхэд нэвтрүүлсэн электрон цацрагийн үргэлжлэх хугацаа нь илүү тод нөлөө үзүүлэх болно.
Эрдэмтэд эдгээр онолыг практикт туршиж үзэхээр шийджээ. Үүнийг хийхийн тулд тэд өөр өөр хугацаатай электрон цацрагийг нэвтрүүлсэн бөгөөд үүнийг анхны STEAM төхөөрөмж (STEAM-buncher) ашиглан шахалтаар удирддаг байв.
Зураг №3
Компрессор нь тэжээлийн эх үүсвэрт холбогдоогүй тохиолдолд ~55 fC (femtocoulomb) цэнэгтэй электрон цацрагууд (1 кВ) электрон буунаас шугаман хурдасгуур төхөөрөмж (STEAM-linac) руу ойролцоогоор 300 мм-ийн зайд дамждаг. Эдгээр электронууд нь сансрын цэнэгийн хүчний нөлөөн дор 1000 фс (фемтосекунд) -аас дээш хугацаанд тэлэх боломжтой.
Энэ хугацаанд электрон цацраг нь хурдатгалын талбайн хагас долгионы уртын 60 орчим хувийг 1,7 пс давтамжтайгаар эзэлж, хурдатгалын дараах энергийн спектрийг 115 кВ-ын оргил ба энергийн тархалтын хагас өргөнтэй болгосон. 60 кВ-аас их (3).
Эдгээр үр дүнг хүлээгдэж буй үр дүнтэй харьцуулахын тулд электронууд нь тарилгын оновчтой хугацаатай синхрончлолгүй (өөрөөр хэлбэл синхрончлолгүй) үед шугаман хурдасгуураар дамжуулан электрон тархах байдлыг загварчилсан. Энэ нөхцөл байдлын тооцоолол нь электрон энергийн өсөлт нь тарилга хийх мөчөөс маш их хамааралтай болохыг харуулсан бөгөөд энэ нь секундын секундын хуваарь хүртэл юм.3b). Өөрөөр хэлбэл, оновчтой тохируулгатай бол электрон давхарга бүрт терагерцийн цацрагийн хурдатгалын бүтэн хагас циклийг мэдрэх болно (3c).
Хэрэв электронууд өөр өөр цаг үед ирвэл эхний давхаргад бага хурдатгал мэдрэгддэг бөгөөд энэ нь түүнийг дамжин өнгөрөхөд илүү их цаг зарцуулдаг. Дараа нь синхрончлол нь дараах давхаргад нэмэгдэж, хүсээгүй удаашралыг үүсгэдэг (3d).
Электрон цацрагийн түр зуурын суналтын сөрөг нөлөөг багасгахын тулд анхны STEAM төхөөрөмжийг шахалтын горимд ажиллуулав. Линак дээрх электрон цацрагийн үргэлжлэх хугацааг компрессорт нийлүүлсэн терагерцийн энергийг тохируулж, линакыг ангаахай горимд шилжүүлснээр хамгийн багадаа ~350 фс (хагас өргөн) хүртэл оновчтой болгосон.4b).
Зураг №4
Хамгийн бага цацрагийн үргэлжлэх хугацааг фотокатодын хэт ягаан туяаны импульсийн үргэлжлэх хугацаатай уялдуулан тогтоосон бөгөөд энэ нь ~600 fs байв. Компрессор ба туузны хоорондох зай нь мөн чухал үүрэг гүйцэтгэсэн бөгөөд энэ нь өтгөрүүлэх хүчний хурдыг хязгаарласан. Эдгээр арга хэмжээ нь нийлээд хурдатгалын үе шатанд тарилгын үе шатанд фемтосекундын нарийвчлалыг бий болгодог.
Зураг дээр 4 Шугаман хурдасгуур дахь оновчтой хурдатгалын дараа шахсан электрон цацрагийн энергийн тархалт шахагдаагүйтэй харьцуулахад ~ 4 дахин буурч байгааг харж болно. Хурдатгалын улмаас шахсан цацрагийн энергийн спектр нь шахагдаагүй цацрагаас ялгаатай нь илүү өндөр энерги рүү шилждэг. Хурдатгалын дараах энергийн спектрийн оргил нь ойролцоогоор 115 кВ, өндөр энергитэй сүүл нь 125 кВ хүрдэг.
Эрдэмтдийн даруухан мэдэгдлийн дагуу эдгээр тоонууд нь терагерцийн мужид хурдатгалын шинэ дээд амжилт (хурдатгалын өмнө 70 кВ байсан) юм.
Гэхдээ эрчим хүчний тархалтыг багасгахын тулд (4), илүү богино цацрагт хүрэх ёстой.
Зураг №5
Шахагдаагүй нэвтрүүлсэн цацрагийн хувьд цацрагийн хэмжээ нь гүйдэлээс параболик хамаарал нь хэвтээ ба босоо чиглэлд хөндлөн цацрагийг харуулдаг: εx,n = 1.703 мм*мрад ба εy,n = 1.491 мм*мрад (5).
Шахалт нь эргээд хөндлөн цацрагийг 6 дахин сайжруулж, εx,n = 0,285 мм*мрад (хэвтээ) ба εy,n = 0,246 мм*мрад (босоо) болсон.
Цацрагийн бууралтын зэрэг нь цацрагийн үргэлжлэх хугацааны бууралтын зэргээс ойролцоогоор хоёр дахин их байгааг тэмдэглэх нь зүйтэй бөгөөд энэ нь хурдатгалын үед электронууд соронзон орны хүчтэй төвлөрөл, төвлөрлийг сааруулах үед харилцан үйлчлэлийн динамикийн шугаман бус байдлын хэмжүүр юм (5b и 5c).
Зураг дээр 5b Тохиромжтой цагт нэвтрүүлсэн электронууд нь цахилгаан талбайн хурдатгалын хагас мөчлөгийг бүхэлд нь мэдэрдэг болохыг харж болно. Гэхдээ оновчтой хугацаанаас өмнө эсвэл дараа нь ирсэн электронууд бага хурдатгал, бүр хэсэгчилсэн удаашралтай байдаг. Ийм электронууд нь барагцаагаар хэлэхэд бага энерги авдаг.
Соронзон талбарт өртөх үед ижил төстэй нөхцөл байдал ажиглагдаж байна. Тохиромжтой цагт тарьсан электронууд эерэг ба сөрөг соронзон орны тэгш хэмтэй хэмжээг мэдэрдэг. Хэрэв электронуудыг нэвтрүүлэх нь оновчтой хугацаанаас өмнө болсон бол эерэг талбарууд илүү, сөрөг талбарууд цөөн байсан. Хэрэв электроныг оновчтой хугацаанаас хожуу оруулбал эерэг нь цөөхөн, илүү сөрөг байх болно (5c). Ийм хазайлт нь электрон нь тэнхлэгтэй харьцуулахад байрлалаасаа хамааран зүүн, баруун, дээш, доошоо хазайхад хүргэдэг бөгөөд энэ нь цацрагийг төвлөрүүлэх эсвэл задлахтай холбоотой хөндлөн импульс нэмэгдэхэд хүргэдэг.
Судалгааны нарийн ширийн зүйлстэй илүү дэлгэрэнгүй танилцахын тулд би үзэхийг зөвлөж байна и түүнд.
Эпилог
Дүгнэж хэлэхэд электрон цацрагийн үргэлжлэх хугацаа багасвал хурдасгуурын ажиллагаа нэмэгдэнэ. Энэ ажилд хүрэх боломжтой цацрагийн үргэлжлэх хугацааг угсралтын геометрээр хязгаарласан. Гэхдээ онолын хувьд цацрагийн үргэлжлэх хугацаа 100 fs-ээс бага байж болно.
Эрдэмтэд давхаргын өндрийг багасгаж, тоог нэмэгдүүлснээр цацрагийн чанарыг улам сайжруулах боломжтойг мөн тэмдэглэж байна. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь асуудалгүй, ялангуяа төхөөрөмжийг үйлдвэрлэх нарийн төвөгтэй байдлыг нэмэгдүүлдэг.
Энэхүү ажил нь шугаман хурдасгуурын бяцхан хувилбарыг илүү өргөн хүрээтэй, нарийвчилсан судалгааны эхний шат юм. Туршилтын хувилбар нь аль хэдийн дээд амжилтыг эвдсэн гэж хэлж болохуйц маш сайн үр дүнг үзүүлж байгаа хэдий ч хийх ажил маш их байна.
Анхаарал тавьсанд баярлалаа. Сонирхолтой байгаарай, бүгдээрээ долоо хоногийг сайхан өнгөрүүлээрэй! 🙂
Бидэнтэй хамт байсанд баярлалаа. Манай нийтлэл танд таалагдаж байна уу? Илүү сонирхолтой контент үзэхийг хүсч байна уу? Захиалга өгөх эсвэл найзууддаа санал болгох замаар биднийг дэмжээрэй, Хабр хэрэглэгчдэд зориулсан 30% хямдралтай, анхан шатны түвшний серверүүдийн өвөрмөц аналогийг бид танд зориулан зохион бүтээжээ. (RAID1 болон RAID10, 24 хүртэлх цөм, 40 ГБ хүртэл DDR4-тэй байх боломжтой).
Dell R730xd 2 дахин хямд байна уу? Зөвхөн энд Нидерландад! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 доллараас! тухай уншина уу
Эх сурвалж: www.habr.com