Det velkjente prinsippet om "mer er kraftigere" har lenge vært etablert i mange sektorer av samfunnet, inkludert vitenskap og teknologi. I moderne realiteter blir imidlertid den praktiske implementeringen av ordtaket "liten, men mektig" mer og mer vanlig. Dette kommer til uttrykk både i datamaskiner, som tidligere tok et helt rom, men som nå passer i håndflaten til et barn, og i ladede partikkelakseleratorer. Ja, husker du Large Hadron Collider (LHC), hvis imponerende dimensjoner (26 659 m i lengde) bokstavelig talt er angitt i navnet? Så dette er allerede en saga blott ifølge forskere fra DESY, som har utviklet en miniatyrversjon av akseleratoren, som ikke er dårligere i ytelse enn forgjengeren i full størrelse. Dessuten satte miniakseleratoren til og med ny verdensrekord blant terahertz-akseleratorer, og doblet energien til de innebygde elektronene. Hvordan ble miniatyrakseleratoren utviklet, hva er de grunnleggende prinsippene for driften, og hva har praktiske eksperimenter vist? Forskningsgruppens rapport vil hjelpe oss å finne ut av dette. Gå.
Grunnlaget for studien
I følge Dongfang Zhang og hans kolleger ved DESY (tysk elektronsynkrotron), som utviklet mini-akseleratoren, spiller ultraraske elektronkilder en utrolig viktig rolle i det moderne samfunnets liv. Mange av dem dukker opp innen medisin, elektronikkutvikling og vitenskapelig forskning. Det største problemet med nåværende lineære akseleratorer som bruker radiofrekvensoscillatorer, er deres høye kostnader, komplekse infrastruktur og imponerende strømforbruk. Og slike mangler begrenser i stor grad tilgjengeligheten av slike teknologier til et bredere spekter av brukere.
Disse åpenbare problemene er et stort insentiv til å utvikle enheter hvis størrelse og strømforbruk ikke vil forårsake gru.
Blant de relative nyhetene i denne bransjen er terahertz-akseleratorer, som har en rekke "fordeler":
- Det forventes at korte bølger og korte pulser av terahertz-stråling vil øke terskelen betydelig sammenbrudd*, forårsaket av feltet, som vil øke akselerasjonsgradienter;
Elektrisk havari* - en kraftig økning i strømstyrken når en spenning over kritisk påføres.
- tilstedeværelsen av effektive metoder for å generere høyfelt terahertz-stråling tillater intern synkronisering mellom elektroner og eksitasjonsfelt;
- Klassiske metoder kan brukes til å lage slike enheter, men deres kostnader, produksjonstid og størrelse vil bli kraftig redusert.
Forskere mener at deres terahertz-akselerator i millimeterskala er et kompromiss mellom konvensjonelle akseleratorer som for tiden er tilgjengelige og mikro-akseleratorer som er under utvikling, men har mange ulemper på grunn av deres svært små dimensjoner.
Forskere benekter ikke at terahertz-akselerasjonsteknologi har vært under utvikling en stund. Men etter deres mening er det fortsatt mange aspekter på dette området som ikke er studert, testet eller implementert.
I sitt arbeid, som vi vurderer i dag, demonstrerer forskere evnene til STEAM (segmentert terahertz elektronakselerator og manipulator) - en segmentert terahertz-elektronakselerator og -manipulator. STEAM gjør det mulig å redusere lengden på elektronstrålen til varighet under pikosekunder, og gir derved femtosekundkontroll over akselerasjonsfasen.
Det var mulig å oppnå et akselerasjonsfelt på 200 MV/m (MV - megavolt), noe som fører til en rekord terahertz-akselerasjon på > 70 keV (kiloelektronvolt) fra den innebygde elektronstrålen med en energi på 55 keV. På denne måten ble det oppnådd akselererte elektroner opp til 125 keV.
Enhetsstruktur og implementering
Bilde nr. 1: diagram av enheten som studeres.
Bilde nr. 1-2: a - diagram av den utviklede 5-lags segmenterte strukturen, b - forhold mellom beregnet akselerasjon og retning for elektronforplantning.
Elektronstråler (55 keV) genereres fra elektronkanon* og blir introdusert i terahertz STEAM-buncher (strålekompressor), hvoretter de går inn i STEAM-linac (lineær akselerator*).
Elektronpistol* – en enhet for å generere en elektronstråle med nødvendig konfigurasjon og energi.
Lineær akselerator* - en akselerator der ladede partikler passerer gjennom strukturen bare én gang, noe som skiller en lineær akselerator fra en syklisk (for eksempel LHC).
Begge STEAM-enhetene mottar terahertz-pulser fra en enkelt nær-infrarød (NIR) laser, som også avfyrer elektronkanonens fotokatode, noe som resulterer i intern synkronisering mellom elektroner og akselererende felt. Ultrafiolette pulser for fotoemisjon ved fotokatoden genereres gjennom to påfølgende trinn GVG* grunnleggende bølgelengde for nær-infrarødt lys. Denne prosessen konverterer en 1020 nm laserpuls først til 510 nm og deretter til 255 nm.
GVG* (optisk andre harmonisk generasjon) er prosessen med å kombinere fotoner med samme frekvens under interaksjon med et ikke-lineært materiale, noe som fører til dannelse av nye fotoner med dobbel energi og frekvens, samt halve bølgelengden.
Resten av NIR-laserstrålen er delt inn i 4 stråler, som brukes til å generere fire enkeltsyklus terahertz-pulser ved å generere intra-puls frekvensforskjeller.
De to terahertz-pulsene blir deretter levert til hver STEAM-enhet gjennom symmetriske hornstrukturer som leder terahertz-energien inn i interaksjonsområdet på tvers av retningen for elektronutbredelse.
Når elektroner kommer inn i hver STEAM-enhet, blir de utsatt for elektriske og magnetiske komponenter Lorentz styrker*.
Lorentz kraft* - kraften som det elektromagnetiske feltet virker på en ladet partikkel.
I dette tilfellet er det elektriske feltet ansvarlig for akselerasjon og retardasjon, og magnetfeltet forårsaker sideavbøyninger.
Bilde #2
Som vi ser på bildene 2a и 2b, Inne i hver STEAM-enhet er terahertz-strålene delt på tvers av tynne metallplater i flere lag med varierende tykkelse, som hver fungerer som en bølgeleder, og overfører en del av den totale energien til interaksjonsområdet. Det er også dielektriske plater i hvert lag for å koordinere ankomsttiden til terahertz bølge foran* med forsiden av elektroner.
Bølgefront* - overflaten som bølgen har nådd.
Begge STEAM-enhetene fungerer i elektrisk modus, det vil si på en slik måte at de påfører et elektrisk felt og undertrykker et magnetisk felt i midten av interaksjonsområdet.
I den første enheten er elektroner tidsbestemt til å passere gjennom null kryss* terahertz-felt, hvor tidsgradienter for det elektriske feltet maksimeres og gjennomsnittsfeltet minimeres.
Null kryssing* - et punkt hvor det ikke er spenning.
Denne konfigurasjonen får halen til elektronstrålen til å akselerere og hodet til å bremse, noe som resulterer i ballistisk langsgående fokusering (2a и 2s).
I den andre enheten er synkroniseringen av elektron- og terahertz-strålingen satt slik at elektronstrålen kun opplever en negativ syklus av det elektriske terahertz-feltet. Denne konfigurasjonen resulterer i en netto kontinuerlig akselerasjon (2b и 2d).
NIR-laseren er et kryogenisk avkjølt Yb:YLF-system som produserer optiske pulser på 1.2 ps varighet og 50 mJ energi ved en bølgelengde på 1020 nm og en repetisjonshastighet på 10 Hz. Og terahertz-pulser med en sentral frekvens på 0.29 terahertz (periode på 3.44 ps) genereres av den skrånende pulsfrontmetoden.
For å drive STEAM-buncher (strålekompressor) ble bare 2 x 50 nJ terahertz-energi brukt, og STEAM-linac (lineær akselerator) krevde 2 x 15 mJ.
Diameteren på innløps- og utløpshullene til begge STEAM-enhetene er 120 mikron.
Bjelkekompressoren er designet med tre lag med lik høyde (0 mm), som er utstyrt med smeltede silikaplater (ϵr = 225) med lengde 4.41 og 0.42 mm for å kontrollere timing. De like høydene på kompressorlagene gjenspeiler det faktum at det ikke er noen akselerasjon (2s).
Men i den lineære akseleratoren er høydene allerede forskjellige - 0.225, 0.225 og 0.250 mm (+ smeltede kvartsplater 0.42 og 0.84 mm). En økning i høyden på laget forklarer økningen i elektronenes hastighet under akselerasjon.
Forskere bemerker at antall lag er direkte ansvarlig for funksjonaliteten til hver av de to enhetene. Å oppnå høyere akselerasjonshastigheter vil for eksempel kreve flere lag og forskjellige høydekonfigurasjoner for å optimalisere interaksjonen.
Resultater av praktiske forsøk
For det første minner forskerne om at i tradisjonelle radiofrekvensakseleratorer, skyldes effekten av den tidsmessige utstrekningen av den innebygde elektronstrålen på egenskapene til den akselererte strålen endringen i det elektriske feltet som oppleves under interaksjonen mellom forskjellige elektroner i strålen som ankommer. til forskjellige tider. Dermed kan det forventes at felt med høyere gradienter og bjelker med lengre varighet vil føre til større energispredning. Injiserte stråler med lang varighet kan også føre til høyere verdier utslipp*.
Emittanse* — faserom okkupert av en akselerert stråle av ladede partikler.
Når det gjelder en terahertz-akselerator, er perioden for eksitasjonsfeltet omtrent 200 ganger kortere. Derfor, Spenninger* det støttede feltet vil være 10 ganger høyere.
Elektrisk feltstyrke* - en indikator for det elektriske feltet, lik forholdet mellom kraften påført til en stasjonær punktladning plassert på et gitt punkt i feltet til størrelsen på denne ladningen.
Således, i en terahertz-akselerator, kan feltgradientene som oppleves av elektroner være flere størrelsesordener høyere enn i en konvensjonell enhet. Tidsskalaen som feltkurvaturen er merkbar på vil være betydelig mindre. Det følger av dette at varigheten av den innførte elektronstrålen vil ha en mer uttalt effekt.
Forskere bestemte seg for å teste disse teoriene i praksis. For å gjøre dette introduserte de elektronstråler av forskjellig varighet, som ble kontrollert ved komprimering ved bruk av den første STEAM-enheten (STEAM-buncher).
Bilde #3
I tilfellet der kompressoren ikke var koblet til en strømkilde, passerte stråler av elektroner (55 keV) med en ladning på ~1 fC (femtoculomb) omtrent 300 mm fra elektronkanonen til den lineære akseleratoranordningen (STEAM-linac). Disse elektronene kan ekspandere under påvirkning av romladningskrefter opp til en varighet på mer enn 1000 fs (femtosekunder).
Ved denne varigheten okkuperte elektronstrålen omtrent 60 % av halvbølgelengden til det akselererende feltet med en frekvens på 1,7 ps, noe som resulterte i et energispekter etter akselerasjon med en topp på 115 keV og en halv bredde av energifordelingen større enn 60 keV (3a).
For å sammenligne disse resultatene med de forventede, ble situasjonen med elektronutbredelse gjennom en lineær akselerator simulert når elektronene var ute av synkronisering med (dvs. ute av synkronisering med) den optimale injeksjonstiden. Beregninger av denne situasjonen viste at økningen i elektronenergi er veldig avhengig av injeksjonsøyeblikket, ned til en subpikosekund tidsskala (3b). Det vil si at med en optimal innstilling vil elektronet oppleve en hel halvsyklus med terahertz-strålingsakselerasjon i hvert lag (3s).
Hvis elektronene kommer til forskjellige tider, opplever de mindre akselerasjon i det første laget, noe som gjør at de bruker lengre tid på å reise gjennom det. Desynkroniseringen øker deretter i de følgende lagene, noe som forårsaker uønsket nedgang (3d).
For å minimere den negative effekten av den tidsmessige utvidelsen av elektronstrålen, opererte den første STEAM-enheten i kompresjonsmodus. Elektronstrålevarigheten ved linac ble optimalisert til minimum ~350 fs (halv bredde) ved å stille inn terahertz-energien som ble tilført kompressoren og bytte linac til skraveringsmodus (4b).
Bilde #4
Minimum strålevarighet ble satt i samsvar med varigheten av fotokatode UV-pulsen, som var ~600 fs. Avstanden mellom kompressoren og stripen spilte også en viktig rolle, noe som begrenset hastigheten på fortykningskraften. Sammen muliggjør disse tiltakene femtosekund-presisjon i injeksjonsfasen av akselerasjonsfasen.
På bildet 4a det kan sees at energispredningen til den komprimerte elektronstrålen etter optimalisert akselerasjon i en lineær akselerator avtar med ~ 4 ganger sammenlignet med den ukomprimerte. På grunn av akselerasjon forskyves energispekteret til den komprimerte strålen mot høyere energier, i motsetning til den ukomprimerte strålen. Toppen av energispekteret etter akselerasjon er omtrent 115 keV, og høyenergihalen når omtrent 125 keV.
Disse tallene, ifølge den beskjedne uttalelsen fra forskere, er en ny akselerasjonsrekord (før akselerasjon var den 70 keV) i terahertz-området.
Men for å redusere energispredning (4a), må en enda kortere stråle oppnås.
Bilde #5
Når det gjelder en ukomprimert innført stråle, avslører den parabolske avhengigheten av strålestørrelsen av strømmen den tverrgående emittansen i horisontal og vertikal retning: εx,n = 1.703 mm*mrad og εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresjon forbedret på sin side den tverrgående emittansen med 6 ganger til εx,n = 0,285 mm*mrad (horisontalt) og εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikalt).
Det er verdt å merke seg at graden av emittansreduksjon er omtrent dobbelt så stor som graden av reduksjon av strålevarighet, som er et mål på ikke-lineariteten til interaksjonsdynamikken med tiden når elektroner opplever sterk fokusering og defokusering av magnetfeltet under akselerasjon (5b и 5s).
På bildet 5b Det kan sees at elektroner introdusert på det optimale tidspunktet opplever hele halvsyklusen av det elektriske feltakselerasjonen. Men elektroner som kommer før eller etter det optimale tidspunktet opplever mindre akselerasjon og til og med delvis retardasjon. Slike elektroner ender opp med mindre energi, grovt sett.
En lignende situasjon observeres når den utsettes for et magnetisk felt. Elektroner som injiseres på det optimale tidspunktet opplever symmetriske mengder positive og negative magnetiske felt. Hvis introduksjonen av elektroner skjedde før det optimale tidspunktet, var det flere positive felt og færre negative. Hvis elektroner introduseres senere enn det optimale tidspunktet, vil det være færre positive og flere negative (5s). Og slike avvik fører til at elektronet kan avvike til venstre, høyre, opp eller ned, avhengig av posisjonen i forhold til aksen, noe som fører til en økning i tverrmomentumet som tilsvarer fokusering eller defokusering av strålen.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på и til ham.
Epilog
Oppsummert vil akseleratorytelsen øke hvis varigheten av elektronstrålen reduseres. I dette arbeidet ble den oppnåelige strålevarigheten begrenset av geometrien til installasjonen. Men i teorien kan strålevarigheten nå mindre enn 100 fs.
Forskere bemerker også at kvaliteten på strålen kan forbedres ytterligere ved å redusere høyden på lagene og øke antallet. Imidlertid er denne metoden ikke uten problemer, spesielt øker kompleksiteten ved produksjon av enheten.
Dette arbeidet er den innledende fasen av en mer omfattende og detaljert studie av en miniatyrversjon av en lineær akselerator. Til tross for at den testede versjonen allerede viser utmerkede resultater, som med rette kan kalles rekorder, er det fortsatt mye arbeid å gjøre.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com