Het principe "hoe meer, hoe krachtiger" is al lang gevestigd in veel sectoren van het leven, inclusief wetenschap en technologie. In de moderne realiteit zien we echter steeds vaker de praktische toepassing van het gezegde "klein maar dapper". Dit blijkt uit computers die vroeger een hele kamer vulden, maar nu in de hand van een kind passen, evenals uit versnellers van geladen deeltjes. Ja, u herinneren zich zeker de grote deeltjesversneller genaamd deeltjesversneller (LHC), waarvan de indrukwekkende afmetingen (26.659 m lang) letterlijk in de naam zijn opgenomen? Dit behoort echter tot het verleden volgens wetenschappers van DESY, die een miniatuurversie van de versneller hebben ontwikkeld die qua prestaties niet onder doet voor zijn full-size voorganger. Sterker nog, de mini-versneller heeft zelfs een nieuw wereldrecord gevestigd onder terahertz-versnellers door de energie van de geĆÆntroduceerde elektronen te verdubbelen. Hoe de mini-versneller is ontwikkeld, wat de belangrijkste principes zijn van zijn werking en wat praktische experimenten hebben aangetoond, zal het onderzoeksrapport van de onderzoeksgroep helpen verduidelijken. Laten we beginnen.
De basis van het onderzoek
Volgens Dongfang Zhang en zijn collegaās van DESY (Duitse Elektronensynchrotron), die de mini-versneller hebben ontwikkeld, spelen ultrahoge snelheidsbronnen van elektronen een ongelooflijk belangrijke rol in het leven van de moderne samenleving. Veel van deze toepassingen vinden we terug in de geneeskunde, de ontwikkeling van elektronica en wetenschappelijk onderzoek. Het grootste probleem van de huidige lineaire versnellers, die radiogeneratoren gebruiken, is hun hoge kosten, de complexiteit van de infrastructuur en hun enorme energieverbruik. Deze tekortkomingen beperken de toegankelijkheid van dergelijke technologieĆ«n voor een breder publiek aanzienlijk.
Deze duidelijke problemen zijn een uitstekende stimulans voor de ontwikkeling van apparaten die geen angst inboezemen door hun afmetingen of hun energieverbruik.
Onder de relatief nieuwe toevoegingen in deze sector zijn terahertz-versnellers te vinden, die een aantal voordelen hebben:
- er wordt verwacht dat korte golven en korte pulsen van terahertz-straling de doorbraakgrens aanzienlijk zullen verhogen door het veld,*, wat de versnellinggradiƫnten zal verhogen;
Elektrische doorbraak* ā een scherpe stijging van de stroomsterkte bij het aanleggen van een spanning boven de kritische waarde.
- de beschikbaarheid van effectieve methoden voor het genereren van hoogfrequente terahertzstraling maakt interne synchronisatie tussen elektronen en excitatievelden mogelijk;
- klassieke methoden kunnen worden gebruikt voor het creƫren van dergelijke apparaten, maar de kosten, de productietijd en de afmetingen zullen aanzienlijk worden verminderd.
Wetenschappers geloven dat hun terahertzversneller op millimeterniveau een compromis is tussen de reguliere versnellers die momenteel beschikbaar zijn en de micro-versnellers die in ontwikkeling zijn, maar die veel tekortkomingen vertonen vanwege hun veel te kleine afmetingen.
Onderzoekers ontkennen niet dat de technologie van terahertzversnelling al enige tijd in ontwikkeling is. Volgens hen zijn er echter ook nog veel aspecten in dit gebied die niet zijn bestudeerd, getest of gerealiseerd.
In hun werk, dat we vandaag bespreken, demonstreren wetenschappers de mogelijkheden van STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) ā gesegmenteerde terahertz elektronenversneller en manipulator. STEAM maakt het mogelijk de lengte van de elektronenbundel te verkorten tot sub-picoseconde duur, wat femtoseconde controle over de versnelfase mogelijk maakt.
Er is een versnelling veld van 200 MV/m (MV ā megavolt) bereikt, wat leidt tot een record terahertz versnelling van > 70 keV (kiloelectronvolt) van de ingebrachte elektronenbundel met een energie van 55 keV. Hierdoor zijn versneld elektronen tot 125 keV verkregen.
De structuur van het apparaat en de implementatie
Afbeelding ā1: schema van het onderzochte apparaat.
Afbeelding ā1-2: a ā schema van de ontwikkelde 5-laagse gesegmenteerde structuur, b ā verhouding van de berekende versnelling en de richting van elektronenverspreiding.
Elektronenbundels (55 keV) worden gegenereerd uit de elektronische pistool* en ingebracht in de terahertz STEAM-buncher (bundelcompactor), waarna ze overgaan naar de STEAM-linac (lineaire versneller*).
Elektronische pistool* ā een apparaat voor het genereren van elektronenbundels van de benodigde configuratie en energie.
Lineaire versneller* ā een versneller waarin geladen deeltjes de structuur slechts Ć©Ć©n keer doorlopen, wat de lineaire versneller onderscheidt van een cyclische versneller (bijvoorbeeld LHC).
Beide STEAM-apparaten ontvangen terahertzpulsen van een enkele nabij-infrarood laser (NIR), die ook de fotokatode van de elektronenpistool aanstuurt, wat leidt tot interne synchronisatie tussen de elektronen en de versnellingsvelden. De ultraviolette pulsen voor foto-emissie op de fotokatode worden gegenereerd via twee opeenvolgende stadia. GVG* van de primaire golflengte van nabij-infrarood licht. Dit proces zet de laserpuls met een golflengte van 1020 nm eerst om in 510 nm, en daarna in 255 nm.
GVG* (generatie van de tweede optische harmonische) - het proces van het combineren van fotonen met dezelfde frequentie tijdens interactie met een niet-lineair materiaal, wat leidt tot de vorming van nieuwe fotonen met verdubbelde energie en frequentie, en dus met een halve golflengte.
De resterende straal van de NIR-laser wordt opgesplitst in 4 stralen, die worden gebruikt voor de generatie van vier enkelcyclische terahertzpulsen door het genereren van inter-pulsfrequentieverschillen.
Twee terahertzpulsen worden vervolgens naar elk STEAM-apparaat gestuurd via symmetrische hoornstructuren die de terahertzenergie naar het interactiegebied leiden, dwars op de voortplantingsrichting van de elektronen.
Wanneer de elektronen elk STEAM-apparaat binnenkomen, worden ze blootgesteld aan elektrische en magnetische componenten. Lorentzkracht*.
Lorentzkracht* is de kracht waarmee een elektromagnetisch veld op een geladen deeltje werkt.
In dit geval is het elektrische veld verantwoordelijk voor versnelling en vertraging, terwijl het magnetische veld dwarsafbuigingen veroorzaakt.
Afbeelding nr. 2
Zoals we op de afbeeldingen zien, 2a en 2bbinnen elk STEAM-apparaat zijn de terahertzbundels verdeeld over verschillende dunne metalen bladeren in meerdere lagen met verschillende diktes, waarbij elke laag functioneert als een golfgeleider die een deel van de totale energie naar het interactiegebied overbrengt. Ook zijn er in elke laag dielectricen platen aanwezig om de komst van het terahertz golffront* te coƶrdineren met het elektronengolffront.
Golffront* is het oppervlak dat door de golf is bereikt.
Beide STEAM-apparaten werken in elektrische modus, dat wil zeggen op een manier die de overlap van het elektrische veld en de onderdrukking van het magnetische veld in het midden van het interactiegebied produceert.
In het eerste apparaat zijn de elektronen zodanig getimed dat ze door de nulovergang* van het terahertzveld passeren, waar de temporele gradiƫnten van het elektrische veld gemaximaliseerd zijn en het gemiddelde veld geminimaliseerd is.
De nulovergang* is het punt waar geen spanning is.
Deze configuratie veroorzaakt een versnelling van de staart van de elektronensbundel en een vertraging van de kop, wat leidt tot ballistische longitudinale focussering (2a en 2s).
In het tweede apparaat wordt de synchronisatie van de elektronen en het terahertzstraling zo ingesteld dat de elektronenbundel alleen de negatieve cyclus van het terahertz elektrische veld ervaart. Deze configuratie leidt tot een puur continuƫ versnelling (2b en 2d).
Een NIR-laser lijkt op een cryogeen gekoeld Yb:YLF-systeem dat optische pulsen genereert met een duur van 1,2 ps en een energie van 50 mJ bij een golflengte van 1020 nm en een herhalingsfrequentie van 10 Hz. Terahertzpulsen met een centrale frequentie van 0,29 terahertz (periode van 3,44 ps) worden gegenereerd door middel van een hellend impulsfront.
Voor de voeding van de STEAM-buncher (bundelcompressor) is slechts 2 x 50 nJ terahertzenergie gebruikt, en voor de STEAM-linac (lineaire versneller) was 2 x 15 mJ nodig.
De diameter van de in- en uitlaten van beide STEAM-apparaten bedraagt 120 Āµm.
De bundelcompressor is ontworpen met drie lagen van gelijke hoogte (0,225 mm), die zijn uitgerust met platen van gesmolten kwartsglas (Ļµr = 4,41) van 0,42 en 0,84 mm om de temporele synchronisatie te controleren. Gelijke hoogtes van de lagen van de compressor weerspiegelen het feit dat er geen versnelling plaatsvindt (2s).
In de lineaire versneller zijn de hoogtes al verschillend ā 0,225, 0,225 en 0,250 mm (+ platen van gesmolten kwartsglas van 0,42 en 0,84 mm). De verhoging van de laaghoogte verklaart de verhoogde snelheid van de elektronen tijdens versnelling.
Wetenschappers merken op dat het aantal lagen direct verband houdt met de functionaliteit van elk van de twee apparaten. Om een hogere versnelling te bereiken, bijvoorbeeld, zijn meer lagen en een andere configuratie van hoogtes nodig om de interactie te optimaliseren.
Resultaten van praktische experimenten
Ten eerste herinneren de onderzoekers eraan dat bij traditionele versnellers op basis van radiogolven de invloed van de tijdsduur van de ingebedde elektronenbundel op de eigenschappen van de versnelde bundel samenhangt met de wijziging van het elektrische veld dat verschillende elektronen binnen de bundel ervaren, die op verschillende tijdstippen binnenkomen. Het is daarom aannemelijk dat velden met een grotere gradient en bundels met een langere duur zullen leiden tot een grotere spreiding van energieƫn. Ingebedde bundels met een lange duur kunnen ook leiden tot hogere waarden. emittantie*.
Emittantie* ā de fase ruimte die de versnelde bundel van geladen deeltjes in beslag neemt.
Bij een terahertzversneller is de periode van het opwindveld echter ongeveer 200 keer korter. Daarom, de sterkte* van het ondersteunende veld zal 10 keer hoger zijn.
De sterkte van het elektrische veld* is een maat voor het elektrische veld, gedefinieerd als de verhouding van de kracht die wordt uitgeoefend op een stilstaand puntlading die in een bepaald punt van het veld is geplaatst, tot de waarde van die lading.
Daarom kunnen in een terahertzversneller de velden die elektronen ervaren, meerdere ordes van grootte hoger zijn dan in een gewoon apparaat. De tijdsschaal waarop de kromming van het veld merkbaar is, zal ook aanzienlijk kleiner zijn. Dit impliceert dat de duur van de ingebedde elektronenbundel een meer uitgesproken invloed zal hebben.
Wetenschappers hebben in de praktijk besloten om deze theorie te verifiƫren. Daartoe introduceerden ze elektronenbundels van verschillende duur, die werden gecontroleerd door compressie met behulp van het eerste STEAM-apparaat (STEAM-buncher).
Afbeelding nr. 3
In het geval dat de compressor niet op de stroombron was aangesloten, passeerden elektronenbundels (55 keV) met een lading van ongeveer 1 fC (femtocoulomb) ongeveer 300 mm van het elektronische pistool naar het lineaire versnellingsapparaat (STEAM-linac). Deze elektronen konden zich uitbreiden door de krachten van de ruimtelijke lading tot een duur van meer dan 1000 fs (femtoseconden).
Met zo'n duur nam de elektronenbundel ongeveer 60% van de halve golf van het versnellingsveld met een frequentie van 1,7 ps in beslag, wat leidde tot een energiedistributiespectrum na versnelling met een piek van 115 keV en een volle breedte van de energiedistributie van meer dan 60 keV.3a).
Om deze resultaten met de verwachte te vergelijken, was er een situatie gemodelleerd van de verspreiding van elektronen via een liniaire versneller, waarbij de elektronen waren ontsynchroniseerd (d.w.z. niet in lijn met) ten opzichte van de optimale invoertijd. Berekeningen van deze situatie toonden aan dat de energie-increment van de elektronen sterk afhankelijk is van het moment van invoer tot op de sub-picoseconde tijdschaal (3b). Dat wil zeggen, bij een optimale afstemming zal de elektron een volledige halve periode van de versnelling van terahertz-straling in elke laag ervaren (3s).
Als de elektronen echter op verschillende tijdstippen aankomen, zullen ze een lagere versnelling ondervinden in de eerste laag, waardoor ze meer tijd nodig hebben om deze te doorlopen. Vervolgens wordt de ontsynchronisatie versterkt in de volgende lagen, wat leidt tot ongewenste vertraging (3d).
Om het negatieve effect van de tijdsduur van de elektronenbundel tot een minimum te beperken, functioneerde het eerste STEAM-apparaat in compressiemodus. De duur van de elektronenbundel in de liniaire versneller werd geoptimaliseerd tot een minimum van ~ 350 fs (halfbreedte) door de terahertz-energie die aan de compressor werd geleverd in te stellen en de liniaire versneller in het streepmodus te schakelen (4b).
Afbeelding ā4
De minimale duur van de bundel werd vastgesteld op basis van de duur van de UV-puls van de fotokathode, waarvan de duur ~ 600 fs was. Ook speelde de afstand tussen de compressor en de baan een belangrijke rol, wat de kracht van de verdichting op snelheid beperkte. Deze maatregelen zorgen samen voor femtoseconde-nauwkeurigheid van de invoerfase tijdens de versnelling.
Op de afbeelding 4a Het is zichtbaar dat de spreiding van de energie van de gecomprimeerde elektronenbundel na de geoptimaliseerde versnelling in de liniaire versneller met ~ 4 keer vermindert in vergelijking met de ongecomprimeerde bundel. Door de versnelling verschuift het energie-spectrum van de gecomprimeerde bundel naar hogere energieƫn, in tegenstelling tot de ongecomprimeerde bundel. De piek van het energie-spectrum na versnelling bedraagt ongeveer 115 keV, terwijl de hoog-energetische staart ongeveer 125 keV bereikt.
Deze cijfers zijn volgens de bescheiden verklaring van de wetenschappers een nieuw record voor versnelling (voorheen was het 70 keV) in het terahertz-bereik.
Maar om de spreiding van de energie te verminderen (4a), is het nodig om een nog kortere bundel te bereiken.
Afbeelding Nr. 5
In the case of the non-compressed input beam, the parabolic dependence of the beam size on the current reveals the transverse emittance in the horizontal and vertical directions: Īµx,n = 1.703 mm*mrad and Īµy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Compression, in turn, improved the transverse emittance by 6 times to Īµx,n = 0.285 mm*mrad (horizontal) and Īµy,n = 0.246 mm*mrad (vertical).
It is worth noting that the degree of reduction in emittance is approximately twice as much as the degree of reduction in the bunch duration, which is a measure of the nonlinearity of the interaction dynamics over time, where electrons experience strong focusing and defocusing of the magnetic field during acceleration (5b en 5c).
Op de afbeelding 5b It is evident that electrons introduced at the optimal time experience the entire half-period of acceleration of the electric field. However, electrons arriving before or after the optimal moment experience less acceleration and even partial deceleration. As a result, these electrons gain less energy, so to speak.
A similar situation is observed with the influence of the magnetic field. Electrons introduced at the optimal time experience a symmetric amount of positive and negative magnetic fields. If the introduction of electrons occurred before the optimal time, there were more positive fields and fewer negative ones. In the case of introducing electrons later than the optimal time, there are fewer positive and more negative ones (5c). Such deviations cause the electron to deviate left, right, up, or down depending on its position relative to the axis, leading to an increase in the transverse momentum corresponding to the focusing or defocusing of the beam.
Voor een meer gedetailleerd inzicht in de nuances van het onderzoek raad ik aan om te kijken naar en hieraan.
Epilog
In summary, the performance of the accelerator will increase with a reduction in the duration of the electron bunches. In this work, the achievable duration of the bunch was limited by the geometry of the setup. However, in theory, the duration of the bunch can be achieved to be less than 100 fs.
Scientists also note that the quality of the bunch can be further improved by reducing the height of the layers and increasing their number. However, this method is not without problems, particularly the increased complexity of manufacturing the device.
Dit werk is een eerste stap in een bredere en gedetailleerdere studie van de miniatuurversie van de lineaire versneller. Hoewel de geteste versie al uitstekende resultaten laat zien die eerlijk gezegd als record kunnen worden aangeduid, is er nog veel werk te verzetten.
Bedankt voor uw aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijne werkweek voor iedereen, jongens! š
Bedankt dat je bij ons blijft. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of ons aan vrienden aan te bevelen. 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke variant van entry-level servers, speciaal voor jou ontworpen: (opties beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd voor de helft van de prijs? Alleen bij ons in Nederland! Dell R420 ā 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB ā vanaf $99! Lees over hoe
Bron: habr.com
