Il-prinċipju familjari ta '"aktar huwa aktar qawwi" ilu stabbilit f'ħafna setturi tas-soċjetà, inklużi x-xjenza u t-teknoloġija. Madankollu, fir-realtajiet moderni, l-implimentazzjoni prattika tal-qal "żgħir, iżda qawwi" qed issir dejjem aktar komuni. Dan huwa manifestat kemm fil-kompjuters, li qabel ħadu kamra sħiħa, iżda issa tajbin fil-keffa ta 'tifel, u f'aċċeleraturi ta' partiċelli ċċarġjati. Iva, ftakar il-Kbir Hadron Collider (LHC), li d-dimensjonijiet impressjonanti tiegħu (26 m fit-tul) huma litteralment indikati f'isimha? Għalhekk, din diġà hija xi ħaġa tal-passat skond ix-xjenzati minn DESY, li żviluppaw verżjoni minjatura ta 'l-aċċeleratur, li mhix inferjuri fil-prestazzjoni għall-predeċessur ta' daqs sħiħ tagħha. Barra minn hekk, il-mini aċċeleratur saħansitra stabbilixxa rekord dinji ġdid fost l-aċċeleraturi tat-terahertz, li jirdoppja l-enerġija tal-elettroni inkorporati. Kif ġie żviluppat l-aċċeleratur minjatura, x'inhuma l-prinċipji bażiċi tat-tħaddim tiegħu, u x'wrew esperimenti prattiċi? Ir-rapport tal-grupp tar-riċerka se jgħinna nsiru nafu dwar dan. Mur.
Bażi tar-riċerka
Skont Dongfang Zhang u l-kollegi tiegħu f'DESY (Ġermaniż Electron Synchrotron), li żviluppaw il-mini-accelerator, is-sorsi tal-elettroni ultraveloċi għandhom rwol importanti oerhört fil-ħajja tas-soċjetà moderna. Ħafna minnhom jidhru fil-mediċina, l-iżvilupp tal-elettronika u r-riċerka xjentifika. L-akbar problema bl-aċċeleraturi lineari attwali li jużaw oxxillaturi tal-frekwenza tar-radju hija l-ispiża għolja tagħhom, l-infrastruttura kumplessa u l-konsum impressjonanti tal-enerġija. U dawn in-nuqqasijiet jillimitaw ħafna d-disponibbiltà ta’ teknoloġiji bħal dawn għal firxa usa’ ta’ utenti.
Dawn il-problemi ovvji huma inċentiv kbir biex jiġu żviluppati apparati li d-daqs u l-konsum tal-enerġija tagħhom mhux se jikkawżaw orrur.
Fost in-novitajiet relattivi f'din l-industrija hemm l-aċċeleraturi tat-terahertz, li għandhom numru ta '"benefiċċji":
- Huwa mistenni li mewġ qosra u impulsi qosra ta 'radjazzjoni terahertz se jżidu b'mod sinifikanti l-limitu tqassim*, ikkawżat mill-qasam, li se jżid gradjenti ta 'aċċelerazzjoni;
Tħassir elettriku* - żieda qawwija fis-saħħa tal-kurrent meta tiġi applikata vultaġġ ogħla mill-kritika.
- il-preżenza ta 'metodi effettivi għall-ġenerazzjoni ta' radjazzjoni terahertz ta 'kamp għoli tippermetti sinkronizzazzjoni interna bejn l-elettroni u l-kampi ta' eċċitazzjoni;
- Jistgħu jintużaw metodi klassiċi biex jinħolqu apparati bħal dawn, iżda l-ispiża, il-ħin tal-produzzjoni u d-daqs tagħhom se jitnaqqsu ħafna.
Ix-xjentisti jemmnu li l-aċċeleratur tat-terahertz fuq skala millimetrika tagħhom huwa kompromess bejn aċċeleraturi konvenzjonali li huma disponibbli bħalissa u mikro-aċċeleraturi li qed jiġu żviluppati, iżda għandhom ħafna żvantaġġi minħabba d-dimensjonijiet żgħar ħafna tagħhom.
Ir-riċerkaturi ma jiċħdux li t-teknoloġija tal-aċċelerazzjoni tat-terahertz ilha tiżviluppa għal xi żmien. Madankollu, fl-opinjoni tagħhom, għad hemm ħafna aspetti f’dan il-qasam li ma ġewx studjati, ittestjati jew implimentati.
Fix-xogħol tagħhom, li qed nikkunsidraw illum, ix-xjentisti juru l-kapaċitajiet ta 'STEAM (aċċeleratur u manipulatur tal-elettroni terahertz segmentati) - aċċeleratur u manipulatur tal-elettroni terahertz segmentati. STEAM jagħmilha possibbli li jitnaqqas it-tul tar-raġġ ta 'l-elettroni għal tul ta' sub-picosecond, u b'hekk jipprovdi kontroll femtosecond fuq il-fażi ta 'aċċelerazzjoni.
Kien possibbli li jinkiseb kamp ta 'aċċelerazzjoni ta' 200 MV/m (MV - megavolt), li jwassal għal aċċelerazzjoni rekord ta 'terahertz ta'> 70 keV (kiloelectronvolt) mir-raġġ ta 'elettroni inkorporat b'enerġija ta' 55 keV. B'dan il-mod, inkisbu elettroni aċċellerati sa 125 keV.
Struttura u implimentazzjoni tal-apparat
Immaġni Nru 1: dijagramma tal-apparat li qed jiġi studjat.
Immaġni Nru 1-2: a - dijagramma tal-istruttura segmentata b'5 saffi żviluppata, b - proporzjon tal-aċċelerazzjoni kkalkulata u d-direzzjoni tal-propagazzjoni tal-elettroni.
Raġġi ta 'elettroni (55 keV) huma ġġenerati minn pistola elettronika* u huma introdotti fit-terahertz STEAM-buncher (kompressur tar-raġġ), wara li jgħaddu fil-STEAM-linac (aċċeleratur lineari*).
Pistun elettroniku* — apparat biex jiġġenera raġġ ta' elettroni tal-konfigurazzjoni u l-enerġija meħtieġa.
Aċċeleratur lineari* - aċċeleratur li fih partiċelli ċċarġjati jgħaddu mill-istruttura darba biss, li jiddistingwi aċċeleratur lineari minn wieħed ċikliku (per eżempju, l-LHC).
Iż-żewġ apparati STEAM jirċievu impulsi terahertz minn laser wieħed kważi infra-aħmar (NIR), li jispara wkoll il-fotokatodu tal-kanun tal-elettroni, li jirriżulta f'sinkronizzazzjoni interna bejn l-elettroni u l-kampi ta 'aċċellerazzjoni. Impuls ultravjola għal fotoemissjoni fil-fotokatodu huma ġġenerati permezz ta' żewġ stadji suċċessivi GVG* wavelength fundamentali tad-dawl qrib infra-aħmar. Dan il-proċess jikkonverti polz tal-laser 1020 nm l-ewwel għal 510 nm u mbagħad għal 255 nm.
GVG* (ġenerazzjoni ottika tat-tieni armonika) huwa l-proċess ta 'kombinazzjoni ta' fotoni ta 'l-istess frekwenza waqt l-interazzjoni ma' materjal mhux lineari, li jwassal għall-formazzjoni ta 'fotoni ġodda bid-doppju ta' l-enerġija u l-frekwenza, kif ukoll nofs il-wavelength.
Il-bqija tar-raġġ tal-lejżer NIR huwa maqsum f'4 raġġi, li jintużaw biex jiġġeneraw erba 'impulsi terahertz b'ċiklu wieħed billi jiġġeneraw differenzi ta' frekwenza intra-polz.
Iż-żewġ impulsi terahertz imbagħad jitwasslu lil kull apparat STEAM permezz ta 'strutturi simetriċi tal-qrun li jidderieġu l-enerġija tat-terahertz fir-reġjun ta' interazzjoni madwar id-direzzjoni tal-propagazzjoni tal-elettroni.
Meta l-elettroni jidħlu f'kull apparat STEAM, huma esposti għal komponenti elettriċi u manjetiċi forzi Lorentz*.
Forza Lorentz* - il-forza li biha l-kamp elettromanjetiku jaġixxi fuq partiċella ċċarġjata.
F'dan il-każ, il-kamp elettriku huwa responsabbli għall-aċċelerazzjoni u d-deċelerazzjoni, u l-kamp manjetiku jikkawża deflessjonijiet laterali.
Immaġni #2
Kif naraw fl-immaġini 2а и 2b, Ġewwa kull apparat STEAM, ir-raġġi terahertz huma maqsuma trasversalment minn folji tal-metall irqaq f'diversi saffi ta 'ħxuna li tvarja, li kull wieħed minnhom jaġixxi bħala waveguide, li jittrasferixxi parti mill-enerġija totali għar-reġjun ta' interazzjoni. Hemm ukoll pjanċi dielettriċi f'kull saff biex jikkoordinaw il-ħin tal-wasla tat-terahertz quddiem tal-mewġ* bil-quddiem ta 'elettroni.
Wavefront* - il-wiċċ li għalih tkun laħqet il-mewġ.
Iż-żewġ apparati STEAM joperaw fil-modalità elettrika, jiġifieri, b'tali mod li jimponu kamp elettriku u jrażżnu kamp manjetiku fiċ-ċentru taż-żona ta 'interazzjoni.
Fl-ewwel apparat, l-elettroni huma tħin biex jgħaddu qsim żero* kamp terahertz, fejn gradjenti tal-ħin tal-kamp elettriku huma massimizzati u l-kamp medju huwa minimizzat.
Qsim żero* - punt fejn ma jkunx hemm tensjoni.
Din il-konfigurazzjoni tikkawża li d-denb tar-raġġ ta 'l-elettroni jaċċellera u r-ras tiegħu jonqos, li jirriżulta f'fokus lonġitudinali ballistiku (2а и 2s).
Fit-tieni apparat, is-sinkronizzazzjoni tar-radjazzjoni tal-elettroni u tat-terahertz hija ssettjata sabiex ir-raġġ tal-elettroni jesperjenza biss ċiklu negattiv tal-kamp elettriku tat-terahertz. Din il-konfigurazzjoni tirriżulta f'aċċelerazzjoni kontinwa netta (2b и 2d).
Il-laser NIR huwa sistema Yb:YLF mkessħa krijoġenikament li tipproduċi impulsi ottiċi ta 'tul ta' 1.2 ps u enerġija ta '50 mJ f'wavelength ta' 1020 nm u rata ta 'ripetizzjoni ta' 10 Hz. U impulsi terahertz bi frekwenza ċentrali ta '0.29 terahertz (perjodu ta' 3.44 ps) huma ġġenerati bil-metodu ta 'quddiem tal-polz inklinat.
Biex tħaddem l-STEAM-buncher (kompressur tar-raġġ) intużaw biss 2 x 50 nJ ta 'enerġija terahertz, u l-STEAM-linac (aċċeleratur lineari) kien jeħtieġ 2 x 15 mJ.
Id-dijametru tat-toqob tad-dħul u tal-ħruġ taż-żewġ apparati STEAM huwa ta '120 mikron.
Il-kompressur tar-raġġ huwa ddisinjat bi tliet saffi ta 'għoli ugwali (0 mm), li huma mgħammra bi pjanċi tas-silika mdewba (ϵr = 225) ta' tul 4.41 u 0.42 mm biex jikkontrollaw il-ħin. L-għoli ugwali tas-saffi tal-kompressur jirriflettu l-fatt li m'hemm l-ebda aċċelerazzjoni (2s).
Iżda fl-aċċeleratur lineari l-għoli diġà huma differenti - 0.225, 0.225 u 0.250 mm (+ pjanċi tal-kwarz fused 0.42 u 0.84 mm). Żieda fl-għoli tas-saff tispjega ż-żieda fil-veloċità tal-elettroni waqt l-aċċelerazzjoni.
Ix-xjentisti jinnotaw li n-numru ta 'saffi huwa direttament responsabbli għall-funzjonalità ta' kull wieħed miż-żewġ apparati. Il-kisba ta 'rati ogħla ta' aċċelerazzjoni, pereżempju, tkun teħtieġ aktar saffi u konfigurazzjonijiet ta 'għoli differenti biex tiġi ottimizzata l-interazzjoni.
Riżultati ta' esperimenti prattiċi
L-ewwel, ir-riċerkaturi jfakkru li fl-aċċeleraturi tradizzjonali tal-frekwenza tar-radju, l-effett tal-firxa temporali tar-raġġ ta 'elettroni inkorporat fuq il-proprjetajiet tar-raġġ aċċellerat huwa dovut għall-bidla fil-kamp elettriku esperjenzat matul l-interazzjoni ta' elettroni differenti fi ħdan ir-raġġ li jaslu. fi żminijiet differenti. Għalhekk, jista 'jkun mistenni li oqsma bi gradjenti ogħla u travi b'tul ta' żmien itwal se jwasslu għal firxa akbar ta 'enerġija. Travi injettati ta 'tul twil jistgħu jwasslu wkoll għal valuri ogħla emissjonijiet*.
Emissjoni* — spazju tal-fażi okkupat minn raġġ aċċellerat ta' partiċelli ċċarġjati.
Fil-każ ta 'aċċeleratur terahertz, il-perjodu tal-kamp ta' eċitazzjoni huwa madwar 200 darba iqsar. Għalhekk, tensjoni* il-qasam appoġġjat se jkun 10 darbiet ogħla.
Qawwa tal-kamp elettriku* - indikatur tal-kamp elettriku, ugwali għall-proporzjon tal-forza applikata għal ċarġ tal-punt stazzjonarju mqiegħed f'punt partikolari fil-kamp għall-kobor ta' din il-ċarġ.
Għalhekk, f'aċċeleratur terahertz, il-gradjenti tal-kamp esperjenzati mill-elettroni jistgħu jkunu bosta ordnijiet ta 'kobor ogħla milli f'apparat konvenzjonali. L-iskala tal-ħin li fiha l-kurvatura tal-kamp hija notevoli se tkun iżgħar b'mod sinifikanti. Minn dan jirriżulta li t-tul tar-raġġ tal-elettroni introdott ikollu effett aktar evidenti.
Ix-xjentisti ddeċidew li jittestjaw dawn it-teoriji fil-prattika. Biex jagħmlu dan, introduċew raġġi ta 'elettroni ta' tul ta 'żmien differenti, li kienu kkontrollati bil-kompressjoni bl-użu tal-ewwel apparat STEAM (STEAM-buncher).
Immaġni #3
Fil-każ fejn il-kompressur ma kienx imqabbad ma 'sors ta' enerġija, raġġi ta 'elettroni (55 keV) b'ċarġ ta' ~ 1 fC (femtocoulomb) għaddew bejn wieħed u ieħor 300 mm mill-pistola tal-elettroni għall-apparat tal-aċċeleratur lineari (STEAM-linac). Dawn l-elettroni jistgħu jespandu taħt l-influwenza tal-forzi ta 'ċarġ spazjali sa tul ta' aktar minn 1000 fs (femtoseconds).
F'dan it-tul ta 'żmien, ir-raġġ ta' l-elettroni okkupa madwar 60% tan-nofs tul ta 'mewġ tal-kamp ta' aċċelerazzjoni bi frekwenza ta '1,7 ps, li jirriżulta fi spettru ta' enerġija ta 'wara l-aċċelerazzjoni b'quċċata f'115 keV u nofs wisa' tad-distribuzzjoni tal-enerġija akbar minn 60 keV (3а).
Biex tqabbel dawn ir-riżultati ma 'dawk mistennija, is-sitwazzjoni tal-propagazzjoni ta' l-elettroni permezz ta 'aċċeleratur lineari ġiet simulata meta l-elettroni ma kinux sinkronizzati ma' (jiġifieri, mhux sinkronizzati ma ') l-aħjar ħin ta' injezzjoni. Kalkoli ta 'din is-sitwazzjoni wrew li ż-żieda fl-enerġija tal-elettroni hija dipendenti ħafna fuq il-mument tal-injezzjoni, sa skala ta' ħin subpicosecond (3b). Jiġifieri, b'setting ottimali, l-elettron se jesperjenza nofs ċiklu sħiħ ta 'aċċelerazzjoni tar-radjazzjoni terahertz f'kull saff (3s).
Jekk l-elettroni jaslu fi żminijiet differenti, jesperjenzaw inqas aċċelerazzjoni fl-ewwel saff, li jagħmilhom jieħdu aktar żmien biex jivvjaġġaw minnu. Id-diżsinkronizzazzjoni mbagħad tiżdied fis-saffi li ġejjin, u tikkawża tnaqqis mhux mixtieq (3d).
Sabiex jiġi minimizzat l-effett negattiv tal-estensjoni temporali tar-raġġ tal-elettroni, l-ewwel apparat STEAM operat fil-mod ta 'kompressjoni. It-tul tar-raġġ tal-elettroni fil-linac ġie ottimizzat għal minimu ta '~350 fs (nofs wisa') billi rfinar l-enerġija terahertz fornuta lill-kompressur u jaqleb il-linac għall-mod ta 'bokkaport (4b).
Immaġni #4
It-tul minimu tar-raġġ ġie stabbilit skont it-tul tal-polz UV tal-fotokatodu, li kien ~ 600 fs. Id-distanza bejn il-kompressur u l-istrixxa kellha wkoll rwol importanti, li llimitat il-veloċità tal-forza li tħaxxin. Flimkien, dawn il-miżuri jippermettu preċiżjoni femtosecond fil-fażi ta 'injezzjoni tal-fażi ta' aċċelerazzjoni.
Fl-immaġini 4а wieħed jista 'jara li t-tixrid tal-enerġija tar-raġġ tal-elettroni kompressat wara aċċelerazzjoni ottimizzata f'aċċeleratur lineari tonqos b'~ 4 darbiet meta mqabbel ma' dak mhux kompressat. Minħabba l-aċċelerazzjoni, l-ispettru tal-enerġija tar-raġġ kompressat huwa mċaqlaq lejn enerġiji ogħla, b'kuntrast mar-raġġ mhux kompressat. Il-quċċata tal-ispettru tal-enerġija wara l-aċċelerazzjoni hija ta 'madwar 115 keV, u d-denb ta' enerġija għolja jilħaq madwar 125 keV.
Dawn iċ-ċifri, skont id-dikjarazzjoni modesta tax-xjenzati, huma rekord ġdid ta 'aċċelerazzjoni (qabel l-aċċelerazzjoni kienet 70 keV) fil-medda tat-terahertz.
Iżda sabiex titnaqqas it-tixrid tal-enerġija (4а), għandu jinkiseb raġġ saħansitra iqsar.
Immaġni #5
Fil-każ ta' raġġ introdott mhux kompressat, id-dipendenza parabolika tad-daqs tar-raġġ fuq il-kurrent turi l-emittanza trasversali fid-direzzjonijiet orizzontali u vertikali: εx,n = 1.703 mm*mrad u εy,n = 1.491 mm*mrad (5а).
Il-kompressjoni, min-naħa tagħha, tejbet l-emittanza trasversali b'6 darbiet għal εx,n = 0,285 mm * mrad (orizzontali) u εy,n = 0,246 mm * mrad (vertikali).
Ta 'min jinnota li l-grad ta' tnaqqis tal-emittanza huwa bejn wieħed u ieħor id-doppju tal-grad tat-tnaqqis tat-tul tar-raġġ, li huwa miżura tan-nonlinearità tad-dinamika tal-interazzjoni maż-żmien meta l-elettroni jesperjenzaw fokus qawwi u defocusing tal-kamp manjetiku waqt l-aċċelerazzjoni (5b и 5s).
Fl-immaġini 5b Jista 'jidher li l-elettroni introdotti fl-aħjar ħin jesperjenzaw in-nofs ċiklu kollu tal-aċċelerazzjoni tal-kamp elettriku. Iżda l-elettroni li jaslu qabel jew wara l-aħjar ħin jesperjenzaw inqas aċċelerazzjoni u saħansitra deċelerazzjoni parzjali. Elettroni bħal dawn jispiċċaw b'inqas enerġija, bejn wieħed u ieħor.
Sitwazzjoni simili hija osservata meta espost għal kamp manjetiku. Elettroni injettati fl-aħjar ħin jesperjenzaw ammonti simetriċi ta 'kampijiet manjetiċi pożittivi u negattivi. Jekk l-introduzzjoni ta 'elettroni seħħet qabel il-ħin ottimali, allura kien hemm aktar oqsma pożittivi u inqas dawk negattivi. Jekk l-elettroni jiġu introdotti aktar tard mill-aħjar ħin, ikun hemm inqas pożittivi u aktar negattivi (5s). U tali devjazzjonijiet iwasslu għall-fatt li l-elettron jista 'jiddevja lejn ix-xellug, il-lemin, 'il fuq jew 'l isfel, skond il-pożizzjoni tiegħu relattiva għall-assi, li jwassal għal żieda fil-momentum trasversali li jikkorrispondi għall-iffukar jew id-defocusing tar-raġġ.
Għal familjarità aktar dettaljata mal-sfumaturi tal-istudju, nirrakkomanda li tħares lejn и lilu.
Epilogue
Fil-qosor, il-prestazzjoni tal-aċċeleratur tiżdied jekk it-tul tar-raġġ tal-elettroni jitnaqqas. F'dan ix-xogħol, it-tul tar-raġġ li jista 'jinkiseb kien limitat mill-ġeometrija tal-installazzjoni. Iżda, fit-teorija, it-tul tar-raġġ jista 'jilħaq inqas minn 100 fs.
Ix-xjentisti jinnotaw ukoll li l-kwalità tar-raġġ tista 'tittejjeb aktar billi jitnaqqas l-għoli tas-saffi u jiżdied in-numru tagħhom. Madankollu, dan il-metodu mhuwiex mingħajr problemi, b'mod partikolari jżid il-kumplessità tal-manifattura tal-apparat.
Dan ix-xogħol huwa l-istadju inizjali ta 'studju aktar estensiv u dettaljat ta' verżjoni minjatura ta 'aċċeleratur lineari. Minkejja l-fatt li l-verżjoni ttestjata diġà qed turi riżultati eċċellenti, li bir-raġun jistgħu jissejħu record-breaking, għad hemm ħafna xogħol xi jsir.
Grazzi talli qrajt, ibqgħu kurjużi u għandkom ġimgħa mill-aqwa guys! 🙂
Grazzi talli bqajt magħna. Tħobb l-artikoli tagħna? Trid tara aktar kontenut interessanti? Appoġġuna billi tagħmel ordni jew tirrakkomanda lill-ħbieb, Roħs ta' 30% għall-utenti ta' Habr fuq analogu uniku ta' servers ta' livell ta' dħul, li ġie ivvintat minna għalik: (disponibbli b'RAID1 u RAID10, sa 24 core u sa 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 darbiet orħos? Hawn biss fl-Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - minn $99! Aqra dwar
Sors: www.habr.com