Het bekende principe ‘meer is krachtiger’ is al lang ingeburgerd in veel sectoren van de samenleving, waaronder wetenschap en technologie. In de moderne realiteit wordt de praktische implementatie van het gezegde ‘klein maar krachtig’ echter steeds gebruikelijker. Dit uit zich zowel in computers, die voorheen een hele kamer in beslag namen, maar nu in de handpalm van een kind passen, als in geladen deeltjesversnellers. Ja, kent u de Large Hadron Collider (LHC) nog, waarvan de indrukwekkende afmetingen (26 m lang) letterlijk in de naam worden aangegeven? Dit behoort dus al tot het verleden volgens wetenschappers van DESY, die een miniatuurversie van de versneller hebben ontwikkeld, die qua prestaties niet onderdoet voor zijn voorganger op ware grootte. Bovendien vestigde de miniversneller zelfs een nieuw wereldrecord onder terahertz-versnellers, door de energie van de ingebedde elektronen te verdubbelen. Hoe is de miniatuurversneller ontwikkeld, wat zijn de basisprincipes van de werking ervan en wat hebben praktijkexperimenten aangetoond? Het rapport van de onderzoeksgroep zal ons helpen daar meer over te weten te komen. Gaan.
Onderzoeksbasis
Volgens Dongfang Zhang en zijn collega's bij DESY (Duits Electron Synchrotron), die de miniversneller ontwikkelden, spelen ultrasnelle elektronenbronnen een ongelooflijk belangrijke rol in het leven van de moderne samenleving. Velen van hen verschijnen in de geneeskunde, de ontwikkeling van elektronica en wetenschappelijk onderzoek. Het grootste probleem met de huidige lineaire versnellers die gebruik maken van radiofrequentie-oscillatoren zijn hun hoge kosten, complexe infrastructuur en indrukwekkend energieverbruik. En dergelijke tekortkomingen beperken de beschikbaarheid van dergelijke technologieën voor een breder scala aan gebruikers aanzienlijk.
Deze voor de hand liggende problemen zijn een grote stimulans om apparaten te ontwikkelen waarvan de grootte en het energieverbruik geen horror zullen veroorzaken.
Tot de relatieve nieuwigheden in deze sector behoren terahertz-versnellers, die een aantal “voordelen” hebben:
- Verwacht wordt dat korte golven en korte pulsen van terahertzstraling de drempel aanzienlijk zullen verhogen afbreken*, veroorzaakt door het veld, waardoor de versnellingsgradiënten toenemen;
Elektrische storing* - een scherpe toename van de stroomsterkte wanneer een spanning boven de kritische spanning wordt aangelegd.
- de aanwezigheid van effectieve methoden voor het genereren van terahertzstraling met een hoog veld maakt interne synchronisatie tussen elektronen en excitatievelden mogelijk;
- Klassieke methoden kunnen worden gebruikt om dergelijke apparaten te maken, maar hun kosten, productietijd en omvang zullen aanzienlijk worden verminderd.
Wetenschappers zijn van mening dat hun terahertz-versneller op millimeterschaal een compromis is tussen conventionele versnellers die momenteel beschikbaar zijn en microversnellers die in ontwikkeling zijn, maar die vanwege hun zeer kleine afmetingen veel nadelen hebben.
Onderzoekers ontkennen niet dat terahertz-versnellingstechnologie al enige tijd in ontwikkeling is. Er zijn volgens hen echter nog veel aspecten op dit gebied die nog niet zijn onderzocht, getest of geïmplementeerd.
In hun werk, dat we vandaag bespreken, demonstreren wetenschappers de mogelijkheden van STEAM (gesegmenteerde terahertz-elektronenversneller en manipulator) - een gesegmenteerde terahertz-elektronenversneller en manipulator. STEAM maakt het mogelijk om de lengte van de elektronenbundel terug te brengen tot een duur van minder dan picoseconden, waardoor femtoseconde controle over de versnellingsfase wordt geboden.
Het was mogelijk om een versnellingsveld van 200 MV/m (MV - megavolt) te bereiken, wat leidt tot een record terahertz-versnelling van > 70 keV (kilo-elektronvolt) uit de ingebedde elektronenbundel met een energie van 55 keV. Op deze manier werden versnelde elektronen tot 125 keV verkregen.
Apparaatstructuur en implementatie
Afbeelding nr. 1: diagram van het onderzochte apparaat.
Afbeelding nr. 1-2: a - diagram van de ontwikkelde 5-laags gesegmenteerde structuur, b - verhouding van de berekende versnelling en richting van elektronenvoortplanting.
Hieruit worden elektronenbundels (55 keV) gegenereerd elektronenkanon* en worden in de terahertz STEAM-buncher (beam compressor) gebracht, waarna ze overgaan in de STEAM-linac (lineaire versneller*).
Elektronenkanon* — een apparaat voor het genereren van een elektronenbundel met de vereiste configuratie en energie.
Lineaire versneller* - een versneller waarin geladen deeltjes slechts één keer door de structuur gaan, wat een lineaire versneller onderscheidt van een cyclische versneller (bijvoorbeeld de LHC).
Beide STEAM-apparaten ontvangen terahertz-pulsen van een enkele nabij-infrarood (NIR) laser, die ook de fotokathode van het elektronenkanon afvuurt, wat resulteert in interne synchronisatie tussen elektronen en versnellende velden. Ultraviolette pulsen voor foto-emissie bij de fotokathode worden gegenereerd via twee opeenvolgende fasen GVG* fundamentele golflengte van nabij-infraroodlicht. Dit proces zet een laserpuls van 1020 nm eerst om naar 510 nm en vervolgens naar 255 nm.
GVG* (optische tweede harmonische generatie) is het proces waarbij fotonen met dezelfde frequentie worden gecombineerd tijdens interactie met een niet-lineair materiaal, wat leidt tot de vorming van nieuwe fotonen met dubbele energie en frequentie, evenals met de helft van de golflengte.
De rest van de NIR-laserbundel wordt gesplitst in vier bundels, die worden gebruikt om vier terahertz-pulsen met één cyclus te genereren door intra-pulsfrequentieverschillen te genereren.
De twee terahertz-pulsen worden vervolgens aan elk STEAM-apparaat afgeleverd via symmetrische hoornstructuren die de terahertz-energie in het interactiegebied in de richting van de elektronenvoortplanting richten.
Wanneer elektronen een STEAM-apparaat binnenkomen, worden ze blootgesteld aan elektrische en magnetische componenten Lorentz-krachten*.
Lorentzkracht* - de kracht waarmee het elektromagnetische veld op een geladen deeltje inwerkt.
In dit geval is het elektrische veld verantwoordelijk voor versnelling en vertraging, en veroorzaakt het magnetische veld zijdelingse afbuigingen.
Afbeelding #2
Zoals we zien op de afbeeldingen 2a и 2bBinnen elk STEAM-apparaat worden de terahertz-bundels door dunne metalen platen dwars verdeeld in verschillende lagen van verschillende dikte, die elk als golfgeleider fungeren en een deel van de totale energie naar het interactiegebied overbrengen. Er zijn ook diëlektrische platen in elke laag om de aankomsttijd van de terahertz te coördineren golffront* met de voorkant van elektronen.
Golffront* - het oppervlak dat de golf heeft bereikt.
Beide STEAM-apparaten werken in elektrische modus, dat wil zeggen op een zodanige manier dat ze een elektrisch veld opleggen en een magnetisch veld in het midden van het interactiegebied onderdrukken.
In het eerste apparaat worden elektronen getimed om er doorheen te gaan nuldoorgang* terahertzveld, waarbij de tijdsgradiënten van het elektrische veld worden gemaximaliseerd en het gemiddelde veld wordt geminimaliseerd.
Nuldoorgang* - een punt waar er geen spanning is.
Deze configuratie zorgt ervoor dat de staart van de elektronenbundel versnelt en de kop vertraagt, wat resulteert in ballistische longitudinale focussering (2a и 2s).
In het tweede apparaat wordt de synchronisatie van de elektronen- en terahertzstraling zo ingesteld dat de elektronenbundel alleen een negatieve cyclus van het terahertz elektrische veld ervaart. Deze configuratie resulteert in een netto continue versnelling (2b и 2d).
De NIR-laser is een cryogeen gekoeld Yb:YLF-systeem dat optische pulsen produceert met een duur van 1.2 ps en 50 mJ energie bij een golflengte van 1020 nm en een herhalingssnelheid van 10 Hz. En terahertz-pulsen met een centrale frequentie van 0.29 terahertz (periode van 3.44 ps) worden gegenereerd door de hellende pulsfrontmethode.
Om de STEAM-buncher (beam compressor) aan te drijven werd slechts 2 x 50 nJ terahertz-energie gebruikt, en de STEAM-linac (lineaire versneller) had 2 x 15 mJ nodig.
De diameter van de inlaat- en uitlaatgaten van beide STEAM-apparaten is 120 micron.
De straalcompressor is ontworpen met drie lagen van gelijke hoogte (0 mm), die zijn uitgerust met gesmolten silicaplaten (ϵr = 225) met een lengte van 4.41 en 0.42 mm om de timing te regelen. De gelijke hoogten van de compressorlagen weerspiegelen het feit dat er geen versnelling is (2s).
Maar in de lineaire versneller zijn de hoogten al verschillend: 0.225, 0.225 en 0.250 mm (+ gesmolten kwartsplaten 0.42 en 0.84 mm). Een toename van de hoogte van de laag verklaart de toename van de snelheid van elektronen tijdens versnelling.
Wetenschappers merken op dat het aantal lagen rechtstreeks verantwoordelijk is voor de functionaliteit van elk van de twee apparaten. Het bereiken van hogere versnellingssnelheden zou bijvoorbeeld meer lagen en verschillende hoogteconfiguraties vereisen om de interactie te optimaliseren.
Resultaten van praktijkexperimenten
Ten eerste herinneren de onderzoekers eraan dat bij traditionele radiofrequentieversnellers het effect van de temporele omvang van de ingebedde elektronenbundel op de eigenschappen van de versnelde bundel het gevolg is van de verandering in het elektrische veld dat wordt ervaren tijdens de interactie van verschillende elektronen in de binnenkomende bundel. op verschillende tijdstippen. Er kan dus worden verwacht dat velden met hogere gradiënten en bundels met langere duur tot een grotere energiespreiding zullen leiden. Geïnjecteerde bundels met een lange duur kunnen ook tot hogere waarden leiden emissies*.
Emissie* — faseruimte die wordt ingenomen door een versnelde bundel geladen deeltjes.
Bij een terahertz-versneller is de periode van het excitatieveld ongeveer 200 maal korter. Vandaar, spanning* het ondersteunde veld zal 10 keer hoger zijn.
Elektrische veldsterkte* - een indicator van het elektrisch veld, gelijk aan de verhouding tussen de kracht die wordt uitgeoefend op een stationaire puntlading die op een bepaald punt in het veld is geplaatst, en de grootte van deze lading.
In een terahertz-versneller kunnen de veldgradiënten die elektronen ervaren dus verschillende ordes van grootte hoger zijn dan in een conventioneel apparaat. De tijdschaal waarop de veldkromming merkbaar is, zal aanzienlijk kleiner zijn. Hieruit volgt dat de duur van de ingebrachte elektronenbundel een sterker effect zal hebben.
Wetenschappers besloten deze theorieën in de praktijk te testen. Om dit te doen, introduceerden ze elektronenbundels met verschillende duur, die werden gecontroleerd door compressie met behulp van het eerste STEAM-apparaat (STEAM-buncher).
Afbeelding #3
In het geval dat de compressor niet op een stroombron was aangesloten, passeerden elektronenbundels (55 keV) met een lading van ~1 fC (femtocoulomb) ongeveer 300 mm van het elektronenkanon naar het lineaire versnellerapparaat (STEAM-linac). Deze elektronen kunnen onder invloed van ruimteladingskrachten uitzetten tot een duur van meer dan 1000 fs (femtoseconden).
Tijdens deze duur besloeg de elektronenbundel ongeveer 60% van de halve golflengte van het versnellende veld met een frequentie van 1,7 ps, wat resulteerde in een energiespectrum na de versnelling met een piek bij 115 keV en een halve breedte van de energieverdeling groter dan 60 keV (3a).
Om deze resultaten te vergelijken met de verwachte resultaten, werd de situatie van elektronenvoortplanting door een lineaire versneller gesimuleerd wanneer de elektronen niet synchroon waren met (dat wil zeggen niet synchroon met) de optimale injectietijd. Berekeningen van deze situatie lieten zien dat de toename van de elektronenenergie zeer afhankelijk is van het moment van injectie, tot op een tijdschaal van subpicoseconden (3b). Dat wil zeggen dat bij een optimale instelling het elektron in elke laag een volledige halve cyclus van terahertz-stralingsversnelling zal ervaren (3s).
Als de elektronen op verschillende tijdstippen arriveren, ervaren ze minder versnelling in de eerste laag, waardoor het langer duurt om er doorheen te reizen. De desynchronisatie neemt vervolgens toe in de volgende lagen, waardoor ongewenste vertraging ontstaat (3d).
Om het negatieve effect van de tijdelijke uitbreiding van de elektronenbundel te minimaliseren, werkte het eerste STEAM-apparaat in compressiemodus. De duur van de elektronenbundel bij de lineaire versneller werd geoptimaliseerd tot minimaal ~350 fs (halve breedte) door de aan de compressor geleverde terahertz-energie af te stemmen en de lineaire versneller in de hatch-modus te zetten (4b).
Afbeelding #4
De minimale straalduur werd ingesteld in overeenstemming met de duur van de UV-puls van de fotokathode, die ~600 fs was. Ook de afstand tussen de compressor en de strip speelde een belangrijke rol, waardoor de snelheid van de verdikkingskracht werd beperkt. Samen maken deze maatregelen femtoseconde precisie mogelijk in de injectiefase van de acceleratiefase.
Op de afbeelding 4a het is te zien dat de energiespreiding van de gecomprimeerde elektronenbundel na geoptimaliseerde versnelling in een lineaire versneller met ~ 4 keer afneemt in vergelijking met de niet-gecomprimeerde versneller. Door versnelling wordt het energiespectrum van de gecomprimeerde straal verschoven naar hogere energieën, in tegenstelling tot de niet-gecomprimeerde straal. De piek van het energiespectrum na versnelling bedraagt ongeveer 115 keV, en de hoogenergetische staart bereikt ongeveer 125 keV.
Deze cijfers zijn, volgens de bescheiden verklaring van wetenschappers, een nieuw versnellingsrecord (vóór de versnelling was het 70 keV) in het terahertz-bereik.
Maar om de energieverspreiding te verminderen (4a), moet een nog kortere straal worden bereikt.
Afbeelding #5
In het geval van een niet-gecomprimeerde ingebrachte straal onthult de parabolische afhankelijkheid van de straalgrootte van de stroom de transversale emittantie in de horizontale en verticale richting: εx,n = 1.703 mm*mrad en εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Compressie verbeterde op zijn beurt de transversale emissie met een factor 6 tot εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontaal) en εy,n = 0,246 mm*mrad (verticaal).
Het is vermeldenswaard dat de mate van emissiereductie ongeveer twee keer zo groot is als de mate van bundelduurreductie, wat een maat is voor de niet-lineariteit van de interactiedynamiek met de tijd wanneer elektronen sterke focussering en defocussering van het magnetische veld ervaren tijdens versnelling (5b и 5s).
Op de afbeelding 5b Het is duidelijk dat elektronen die op het optimale tijdstip worden geïntroduceerd, de gehele halve cyclus van de elektrische veldversnelling ervaren. Maar elektronen die vóór of na het optimale tijdstip arriveren, ervaren minder versnelling en zelfs gedeeltelijke vertraging. Dergelijke elektronen krijgen grofweg minder energie.
Een soortgelijke situatie wordt waargenomen bij blootstelling aan een magnetisch veld. Elektronen die op het optimale tijdstip worden geïnjecteerd, ervaren symmetrische hoeveelheden positieve en negatieve magnetische velden. Als de introductie van elektronen vóór het optimale tijdstip plaatsvond, waren er meer positieve velden en minder negatieve. Als elektronen later dan het optimale tijdstip worden geïntroduceerd, zullen er minder positieve en meer negatieve zijn (5s). En dergelijke afwijkingen leiden ertoe dat het elektron naar links, rechts, omhoog of omlaag kan afwijken, afhankelijk van zijn positie ten opzichte van de as, wat leidt tot een toename van het transversale momentum dat overeenkomt met het focusseren of defocusseren van de straal.
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken и naar hem.
epiloog
Samenvattend zullen de prestaties van de versneller toenemen als de duur van de elektronenbundel wordt verkort. Bij dit werk werd de haalbare liggerduur beperkt door de geometrie van de installatie. Maar in theorie kan de straalduur minder dan 100 fs bereiken.
Wetenschappers merken ook op dat de kwaliteit van de bundel verder kan worden verbeterd door de hoogte van de lagen te verkleinen en hun aantal te vergroten. Deze werkwijze is echter niet zonder problemen, waarbij vooral de complexiteit van de vervaardiging van de inrichting toeneemt.
Dit werk is de eerste fase van een uitgebreidere en gedetailleerdere studie van een miniatuurversie van een lineaire versneller. Ondanks dat de geteste versie al uitstekende resultaten laat zien, die met recht recordbrekend mogen worden genoemd, is er nog veel werk aan de winkel.
Bedankt voor je aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijne week allemaal! 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com