Prinsip biasa "lebih banyak lebih berkuasa" telah lama diwujudkan dalam banyak sektor masyarakat, termasuk sains dan teknologi. Walau bagaimanapun, dalam realiti moden, pelaksanaan praktikal pepatah "kecil, tetapi perkasa" menjadi semakin biasa. Ini ditunjukkan dalam kedua-dua komputer, yang sebelum ini mengambil keseluruhan bilik, tetapi kini muat di tapak tangan seorang kanak-kanak, dan dalam pemecut zarah yang dicas. Ya, ingat Large Hadron Collider (LHC), yang dimensi mengagumkannya (26 m panjangnya) secara literal ditunjukkan dalam namanya? Jadi, ini sudah menjadi perkara yang lalu menurut saintis dari DESY, yang telah membangunkan versi miniatur pemecut, yang tidak kalah dalam prestasinya berbanding pendahulunya yang bersaiz penuh. Lebih-lebih lagi, pemecut mini itu malah mencipta rekod dunia baharu di kalangan pemecut terahertz, menggandakan tenaga elektron terbenam. Bagaimanakah pemecut miniatur dibangunkan, apakah prinsip asas operasinya, dan apakah yang ditunjukkan oleh eksperimen praktikal? Laporan kumpulan penyelidik akan membantu kami mengetahui tentang perkara ini. Pergi.
Asas penyelidikan
Menurut Dongfang Zhang dan rakan-rakannya di DESY (German Electron Synchrotron), yang membangunkan pemecut mini, sumber elektron ultrafast memainkan peranan yang sangat penting dalam kehidupan masyarakat moden. Ramai daripada mereka muncul dalam bidang perubatan, pembangunan elektronik dan penyelidikan saintifik. Masalah terbesar dengan pemecut linear semasa menggunakan pengayun frekuensi radio ialah kos tinggi, infrastruktur yang kompleks dan penggunaan kuasa yang mengagumkan. Dan kelemahan sedemikian sangat mengehadkan ketersediaan teknologi sedemikian kepada julat pengguna yang lebih luas.
Masalah yang jelas ini adalah insentif yang hebat untuk membangunkan peranti yang saiz dan penggunaan kuasanya tidak akan menyebabkan seram.
Antara kebaharuan relatif dalam industri ini ialah pemecut terahertz, yang mempunyai beberapa "faedah":
- Gelombang pendek dan denyutan pendek sinaran terahertz dijangka akan meningkatkan ambang dengan ketara rosak*, disebabkan oleh medan, yang akan meningkatkan kecerunan pecutan;
Kerosakan elektrik* - peningkatan mendadak dalam kekuatan arus apabila voltan di atas kritikal digunakan.
- kehadiran kaedah berkesan untuk menjana sinaran terahertz medan tinggi membolehkan penyegerakan dalaman antara elektron dan medan pengujaan;
- Kaedah klasik boleh digunakan untuk mencipta peranti sedemikian, tetapi kos, masa pengeluaran dan saiznya akan dikurangkan dengan banyak.
Para saintis percaya bahawa pemecut terahertz skala milimeter mereka adalah kompromi antara pemecut konvensional yang tersedia pada masa ini dan pemecut mikro yang sedang dibangunkan, tetapi mempunyai banyak kelemahan kerana dimensinya yang sangat kecil.
Penyelidik tidak menafikan bahawa teknologi pecutan terahertz telah dibangunkan sejak sekian lama. Namun, pada pendapat mereka, masih banyak aspek dalam bidang ini yang belum dikaji, diuji atau dilaksanakan.
Dalam kerja mereka, yang sedang kita pertimbangkan hari ini, saintis menunjukkan keupayaan STEAM (pemecut dan manipulator elektron terahertz bersegmen) - pemecut dan manipulator elektron terahertz bersegmen. STEAM memungkinkan untuk mengurangkan panjang pancaran elektron kepada tempoh sub-pikosaat, dengan itu menyediakan kawalan femtosaat ke atas fasa pecutan.
Ia adalah mungkin untuk mencapai medan pecutan 200 MV/m (MV - megavolt), yang membawa kepada rekod pecutan terahertz > 70 keV (kiloelektronvolt) daripada rasuk elektron terbenam dengan tenaga 55 keV. Dengan cara ini, elektron dipercepatkan sehingga 125 keV diperolehi.
Struktur dan pelaksanaan peranti
Imej No. 1: gambar rajah peranti yang sedang dikaji.
Imej No. 1-2: a - gambar rajah struktur bersegmen 5 lapisan yang dibangunkan, b - nisbah pecutan yang dikira dan arah perambatan elektron.
Rasuk elektron (55 keV) dijana daripada pistol elektron* dan dimasukkan ke dalam terahertz STEAM-buncher (pemampat rasuk), selepas itu ia masuk ke dalam STEAM-linac (pemecut linear*).
pistol elektron* β peranti untuk menghasilkan pancaran elektron dengan konfigurasi dan tenaga yang diperlukan.
Pemecut linear* - pemecut di mana zarah bercas melalui struktur sekali sahaja, yang membezakan pemecut linear daripada kitaran (contohnya, LHC).
Kedua-dua peranti STEAM menerima denyutan terahertz daripada laser inframerah-hampir (NIR) tunggal, yang turut menyalakan fotokatod senapang elektron, menghasilkan penyegerakan dalaman antara elektron dan medan pecutan. Denyutan ultraungu untuk pancaran foto di fotokatod dijana melalui dua peringkat berturut-turut GVG* panjang gelombang asas cahaya inframerah dekat. Proses ini menukar nadi laser 1020 nm terlebih dahulu kepada 510 nm dan kemudian kepada 255 nm.
GVG* (penjanaan harmonik kedua optik) ialah proses menggabungkan foton frekuensi yang sama semasa interaksi dengan bahan tak linear, yang membawa kepada pembentukan foton baru dengan dua kali ganda tenaga dan frekuensi, serta separuh panjang gelombang.
Baki pancaran laser NIR dibahagikan kepada 4 pancaran, yang digunakan untuk menjana empat denyutan terahertz kitaran tunggal dengan menjana perbezaan frekuensi intra-nadi.
Kedua-dua denyut terahertz kemudiannya dihantar ke setiap peranti STEAM melalui struktur tanduk simetri yang mengarahkan tenaga terahertz ke kawasan interaksi merentasi arah perambatan elektron.
Apabila elektron memasuki setiap peranti STEAM, ia terdedah kepada komponen elektrik dan magnet pasukan Lorentz*.
Pasukan Lorentz* - daya yang digunakan oleh medan elektromagnet bertindak ke atas zarah bercas.
Dalam kes ini, medan elektrik bertanggungjawab untuk pecutan dan nyahpecutan, dan medan magnet menyebabkan pesongan sisi.
Imej #2
Seperti yang kita lihat dalam imej 2a ΠΈ 2b, Di dalam setiap peranti STEAM, rasuk terahertz dibahagikan secara melintang oleh kepingan logam nipis kepada beberapa lapisan dengan ketebalan yang berbeza-beza, setiap satunya bertindak sebagai pandu gelombang, memindahkan sebahagian daripada jumlah tenaga ke kawasan interaksi. Terdapat juga plat dielektrik dalam setiap lapisan untuk menyelaraskan masa ketibaan terahertz gelombang hadapan* dengan hadapan elektron.
Hadapan gelombang* - permukaan yang telah dicapai oleh gelombang.
Kedua-dua peranti STEAM beroperasi dalam mod elektrik, iaitu, dengan cara untuk mengenakan medan elektrik dan menekan medan magnet di tengah kawasan interaksi.
Dalam peranti pertama, elektron ditetapkan masa untuk melaluinya lintasan sifar* medan terahertz, di mana kecerunan masa medan elektrik dimaksimumkan dan medan purata diminimumkan.
Sifar lintasan* - titik di mana tidak ada ketegangan.
Konfigurasi ini menyebabkan ekor pancaran elektron memecut dan kepalanya melambat, mengakibatkan pemfokusan membujur balistik (2a ΠΈ 2c).
Dalam peranti kedua, penyegerakan elektron dan sinaran terahertz ditetapkan supaya rasuk elektron hanya mengalami kitaran negatif medan elektrik terahertz. Konfigurasi ini menghasilkan pecutan berterusan bersih (2b ΠΈ 2d).
Laser NIR ialah sistem Yb:YLF yang disejukkan secara kriogenik yang menghasilkan denyutan optik dengan tempoh 1.2 ps dan tenaga 50 mJ pada panjang gelombang 1020 nm dan kadar pengulangan 10 Hz. Dan nadi terahertz dengan frekuensi pusat 0.29 terahertz (tempoh 3.44 ps) dijana oleh kaedah hadapan nadi condong.
Untuk kuasa STEAM-buncher (pemampat rasuk) hanya 2 x 50 nJ tenaga terahertz digunakan, dan STEAM-linac (pemecut linear) memerlukan 2 x 15 mJ.
Diameter lubang masuk dan keluar kedua-dua peranti STEAM ialah 120 mikron.
Pemampat rasuk direka bentuk dengan tiga lapisan ketinggian yang sama (0 mm), yang dilengkapi dengan plat silika bercantum (Ο΅r = 225) dengan panjang 4.41 dan 0.42 mm untuk mengawal pemasaan. Ketinggian lapisan pemampat yang sama mencerminkan hakikat bahawa tiada pecutan (2c).
Tetapi dalam pemecut linear ketinggian sudah berbeza - 0.225, 0.225 dan 0.250 mm (+ plat kuarza bersatu 0.42 dan 0.84 mm). Peningkatan ketinggian lapisan menerangkan peningkatan kelajuan elektron semasa pecutan.
Para saintis menyatakan bahawa bilangan lapisan bertanggungjawab secara langsung untuk kefungsian setiap dua peranti. Mencapai kadar pecutan yang lebih tinggi, sebagai contoh, memerlukan lebih banyak lapisan dan konfigurasi ketinggian yang berbeza untuk mengoptimumkan interaksi.
Keputusan eksperimen amali
Pertama, para penyelidik mengingatkan bahawa dalam pemecut frekuensi radio tradisional, kesan tahap temporal pancaran elektron terbenam pada sifat pancaran dipercepatkan adalah disebabkan oleh perubahan dalam medan elektrik yang dialami semasa interaksi elektron yang berbeza dalam rasuk yang tiba. pada masa yang berbeza. Oleh itu, boleh dijangka bahawa medan dengan kecerunan dan rasuk yang lebih tinggi dengan tempoh yang lebih lama akan membawa kepada penyebaran tenaga yang lebih besar. Rasuk yang disuntik dalam tempoh yang lama juga boleh membawa kepada nilai yang lebih tinggi keluaran*.
Pancaran* β ruang fasa yang diduduki oleh rasuk dipercepatkan zarah bercas.
Dalam kes pemecut terahertz, tempoh medan pengujaan adalah lebih kurang 200 kali lebih pendek. Oleh itu, ketegangan* medan yang disokong akan menjadi 10 kali lebih tinggi.
Kekuatan medan elektrik* - penunjuk medan elektrik, sama dengan nisbah daya yang dikenakan pada cas titik pegun yang diletakkan pada titik tertentu dalam medan dengan magnitud cas ini.
Oleh itu, dalam pemecut terahertz, kecerunan medan yang dialami oleh elektron boleh menjadi beberapa susunan magnitud lebih tinggi daripada peranti konvensional. Skala masa di mana kelengkungan medan dapat dilihat akan menjadi lebih kecil dengan ketara. Ia berikutan daripada ini bahawa tempoh pancaran elektron yang diperkenalkan akan mempunyai kesan yang lebih ketara.
Para saintis memutuskan untuk menguji teori-teori ini dalam amalan. Untuk melakukan ini, mereka memperkenalkan rasuk elektron dengan tempoh yang berbeza, yang dikawal oleh pemampatan menggunakan peranti STEAM pertama (STEAM-buncher).
Imej #3
Dalam kes di mana pemampat tidak disambungkan kepada sumber kuasa, rasuk elektron (55 keV) dengan cas ~1 fC (femtocoulomb) melepasi kira-kira 300 mm dari pistol elektron ke peranti pemecut linear (STEAM-linac). Elektron ini boleh mengembang di bawah pengaruh daya cas ruang sehingga tempoh lebih daripada 1000 fs (femtosaat).
Pada tempoh ini, rasuk elektron menduduki kira-kira 60% daripada separuh panjang gelombang medan pecutan pada frekuensi 1,7 ps, menghasilkan spektrum tenaga pasca pecutan dengan puncak pada 115 keV dan separuh lebar taburan tenaga. lebih daripada 60 keV (3a).
Untuk membandingkan keputusan ini dengan yang dijangkakan, situasi perambatan elektron melalui pemecut linear telah disimulasikan apabila elektron tidak selari dengan (iaitu, tidak selari dengan) masa suntikan yang optimum. Pengiraan keadaan ini menunjukkan bahawa peningkatan tenaga elektron sangat bergantung kepada momen suntikan, sehingga ke skala masa subpicosecond (3b). Iaitu, dengan tetapan yang optimum, elektron akan mengalami separuh kitaran penuh pecutan sinaran terahertz dalam setiap lapisan (3c).
Jika elektron tiba pada masa yang berbeza, mereka mengalami kurang pecutan pada lapisan pertama, yang menjadikan mereka mengambil masa yang lebih lama untuk melaluinya. Penyahsegerakan kemudian meningkat dalam lapisan berikut, menyebabkan kelembapan yang tidak diingini (3d).
Untuk meminimumkan kesan negatif sambungan temporal pancaran elektron, peranti STEAM pertama beroperasi dalam mod mampatan. Tempoh pancaran elektron pada linac telah dioptimumkan kepada sekurang-kurangnya ~350 fs (separuh lebar) dengan menala tenaga terahertz yang dibekalkan kepada pemampat dan menukar linac kepada mod menetas (4b).
Imej #4
Tempoh pancaran minimum ditetapkan mengikut tempoh nadi UV fotokatod, iaitu ~600 fs. Jarak antara pemampat dan jalur juga memainkan peranan penting, yang mengehadkan kelajuan daya penebalan. Bersama-sama, langkah-langkah ini membolehkan ketepatan femtosaat dalam fasa suntikan fasa pecutan.
Dalam imej 4a dapat dilihat bahawa penyebaran tenaga pancaran elektron termampat selepas pecutan dioptimumkan dalam pemecut linear berkurangan sebanyak ~ 4 kali ganda berbanding dengan yang tidak dimampatkan. Disebabkan oleh pecutan, spektrum tenaga rasuk termampat dialihkan ke arah tenaga yang lebih tinggi, berbeza dengan rasuk tidak termampat. Puncak spektrum tenaga selepas pecutan adalah kira-kira 115 keV, dan ekor tenaga tinggi mencapai kira-kira 125 keV.
Angka-angka ini, menurut kenyataan saintis yang sederhana, adalah rekod pecutan baharu (sebelum pecutan ialah 70 keV) dalam julat terahertz.
Tetapi untuk mengurangkan penyebaran tenaga (4a), rasuk yang lebih pendek mesti dicapai.
Imej #5
Dalam kes rasuk masuk yang tidak dimampatkan, pergantungan parabola saiz rasuk pada arus mendedahkan pancaran melintang dalam arah mendatar dan menegak: Ξ΅x,n = 1.703 mm*mrad dan Ξ΅y,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Mampatan, seterusnya, meningkatkan pancaran melintang sebanyak 6 kali kepada Ξ΅x,n = 0,285 mm*mrad (mendatar) dan Ξ΅y,n = 0,246 mm*mrad (menegak).
Perlu diingat bahawa tahap pengurangan pancaran adalah kira-kira dua kali lebih besar daripada tahap pengurangan tempoh rasuk, yang merupakan ukuran ketidaklinieran dinamik interaksi dengan masa apabila elektron mengalami pemfokusan kuat dan penyahfokusan medan magnet semasa pecutan (5b ΠΈ 5c).
Dalam imej 5b Ia boleh dilihat bahawa elektron yang diperkenalkan pada masa yang optimum mengalami keseluruhan separuh kitaran pecutan medan elektrik. Tetapi elektron yang tiba sebelum atau selepas masa optimum mengalami kurang pecutan dan juga nyahpecutan separa. Elektron sedemikian berakhir dengan kurang tenaga, secara kasarnya.
Keadaan yang sama diperhatikan apabila terdedah kepada medan magnet. Elektron yang disuntik pada masa yang optimum mengalami jumlah simetri medan magnet positif dan negatif. Jika pengenalan elektron berlaku sebelum masa optimum, maka terdapat lebih banyak medan positif dan lebih sedikit medan negatif. Jika elektron diperkenalkan lewat daripada masa optimum, akan ada lebih sedikit positif dan lebih negatif (5c). Dan penyimpangan sedemikian membawa kepada fakta bahawa elektron boleh menyimpang ke kiri, kanan, atas atau bawah, bergantung pada kedudukannya berbanding paksi, yang membawa kepada peningkatan dalam momentum melintang yang sepadan dengan pemfokusan atau penyahfokusan rasuk.
Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat ΠΈ kepada dia.
Epilog
Secara ringkasnya, prestasi pemecut akan meningkat jika tempoh pancaran elektron dikurangkan. Dalam kerja ini, tempoh rasuk yang boleh dicapai dihadkan oleh geometri pemasangan. Tetapi, secara teori, tempoh pancaran boleh mencapai kurang daripada 100 fs.
Para saintis juga menyatakan bahawa kualiti pancaran boleh dipertingkatkan lagi dengan mengurangkan ketinggian lapisan dan menambah bilangannya. Walau bagaimanapun, kaedah ini bukan tanpa masalah, khususnya meningkatkan kerumitan pembuatan peranti.
Kerja ini adalah peringkat awal kajian yang lebih meluas dan terperinci tentang versi miniatur pemecut linear. Walaupun fakta bahawa versi yang diuji sudah menunjukkan hasil yang sangat baik, yang boleh dipanggil pemecahan rekod, masih banyak kerja yang perlu dilakukan.
Terima kasih atas perhatian anda, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu semua! π
Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, Diskaun 30% untuk pengguna Habr pada analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang
Sumber: www.habr.com