Zasada "więcej znaczy mocniej" jest od dawna ugruntowana w wielu dziedzinach życia społecznego, w tym w nauce i technologii. Jednak w dzisiejszych realiach coraz częściej pojawia się praktyczna realizacja przysłowia „mały, ale potężny”. Objawia się to zarówno w komputerach, które kiedyś zajmowały cały pokój, a dziś mieszczą się w dłoni dziecka, jak i w akceleratorach cząstek naładowanych. Tak, pamiętacie Wielki Zderzacz Hadronów (WZH), którego imponujące wymiary (26 659 m długości) są dosłownie podane w jego nazwie? Otóż zdaniem naukowców z DESY, którzy opracowali miniaturową wersję akceleratora, to już przeszłość. Co więcej, mini akcelerator ustanowił nawet nowy światowy rekord wśród akceleratorów terahercowych, podwajając energię wbudowanych elektronów. Jak powstał miniaturowy akcelerator, jakie są jego główne zasady działania i co ujawniły praktyczne eksperymenty? O tym pomoże nam się dowiedzieć raport grupy badawczej. Zaczynamy.
Podstawa badania
Według Dungfana Zhanga i jego współpracowników z DESY (Niemiecki Elektronowy Synchrotron), którzy opracowali mini-akcelerator, superszybkie źródła elektronów odgrywają niezwykle ważną rolę w życiu współczesnego społeczeństwa. Wielu z nich objawia się w medycynie, rozwoju elektroniki oraz w badaniach naukowych. Największym problemem obecnych akceleratorów liniowych, które używają generatorów radiowych, jest ich wysoka cena, złożoność infrastruktury oraz ogromne zapotrzebowanie na moc. Takie niedociągnięcia znacznie ograniczają dostępność podobnych technologii dla szerszego grona użytkowników.
Te oczywiste problemy są doskonałym bodźcem do opracowania urządzeń, których rozmiary nie będą budzić przerażenia, jak i stopień pobieranej mocy.
Wśród względnych nowości w tej branży można wyróżnić akceleratory terahercowe, które mają szereg "plusów":
- oczekuje się, że krótkie fale i krótkie impulsy promieniowania terahercowego znacznie zwiększą próg przebicia*, spowodowanego polem, co pozwoli zwiększyć gradienty przyspieszenia;
przebicie elektryczne* — gwałtowny wzrost natężenia prądu przy zastosowaniu napięcia powyżej krytycznego.
- obecność skutecznych metod generacji wysokopolego promieniowania terahercowego pozwala na wewnętrzną synchronizację między elektronami a polami wzbudzenia;
- do tworzenia takich urządzeń można stosować klasyczne metody, jednak ich koszt, czas produkcji i rozmiary będą znacznie mniejsze.
Naukowcy uważają, że ich przyspieszacz terahercowy w wymiarach milimetrowych jest kompromisem między konwencjonalnymi przyspieszaczami, które obecnie istnieją, a mikropośpieszaczami, które są w fazie rozwoju, ale mają liczne wady z powodu swoich zbyt małych rozmiarów.
Badacze nie zaprzeczają, że technologia terahercowego przyspieszania jest już od jakiegoś czasu w opracowaniu. Uważają jednak, że w tej dziedzinie pozostało jeszcze wiele aspektów, które nie zostały zbadane, sprawdzone lub wdrożone.
W swoim dziele, które dziś rozpatrujemy, naukowcy demonstrują możliwości STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — segmentowanego terahercowego przyspieszacza elektronów i manipulatora. STEAM pozwala na skrócenie długości strumienia elektronów do subpikosekundowego czasu trwania, zapewniając w ten sposób femtosekundową kontrolę nad fazą przyspieszania.
Udało się osiągnąć pole przyspieszenia wynoszące 200 MV/m (MV — megawolt), co prowadzi do rekordowego przyspieszenia terahercowego wynoszącego > 70 keV (kiloelektonwolt) od wprowadzonego strumienia elektronów o energii 55 keV. W ten sposób uzyskano przyspieszone elektrony do 125 keV.
Struktura urządzenia i jego realizacja
Obraz nr 1: schemat badanej konstrukcji.
Obraz nr 1-2: a — schemat opracowanej 5-warstwowej struktury segmentowanej, b — proporcje obliczonego przyspieszenia i kierunek rozprzestrzeniania się elektronów.
Strumienie elektronów (55 keV) są generowane z działka elektronowego* i wprowadzane do terahercowego STEAM-bunchera (kompresora strumienia), po czym przechodzą do STEAM-linac (linowy przyspieszacz*).
Działka elektroniczna* — urządzenie generujące strumień elektronów o wymaganej konfiguracji i energii.
Linowy przyspieszacz* — przyspieszacz, w którym naładowane cząstki przechodzą przez strukturę tylko raz, co odróżnia przyspieszacz liniowy od cyklicznego (np. LHC).
Oba urządzenia STEAM otrzymują impulsy terahercowe z jednego lasera w bliskiej podczerwieni (NIR), który również uruchamia fotokatodę działa elektronicznego, co prowadzi do wewnętrznej synchronizacji pomiędzy elektronami a polami przyspieszającymi. Impulsy ultrafioletowe do fotoemisji na fotokatodzie są generowane w dwóch kolejnych etapach. GVG* podstawowej długości fali bliskiego światła podczerwonego. Proces ten przekształca impuls laserowy o długości fali 1020 nm najpierw w 510 nm, a następnie w 255 nm.
GVG* (generacja drugiej harmonicznej optycznej) — proces łączenia fotonów o tej samej częstotliwości podczas interakcji z materiałem nieliniowym, co prowadzi do powstania nowych fotonów o podwójnej energii i częstotliwości oraz o połowie długości fali.
Pozostała część wiązki lasera NIR jest dzielona na 4 wiązki, które są wykorzystywane do generowania czterech impulsy jednocyklicznych terahercowych poprzez generowanie różnicy częstotliwości w obrębie impulsów.
Dwa impulsy terahercowe następnie trafiają do każdego urządzenia STEAM za pomocą symetrycznych struktur rogowych, które kierują energię terahercową do obszaru interakcji prostopadle do kierunku ruchu elektronów.
Gdy elektrony wchodzą do każdego z urządzeń STEAM, są poddawane działaniu elektrycznych i magnetycznych komponentów siły Lorentza*.
Siła Lorentza* — siła, z którą pole elektromagnetyczne działa na naładowaną cząstkę.
W tym przypadku pole elektryczne odpowiada za przyspieszenie i zwolnienie, a pole magnetyczne wywołuje odchylenia poprzeczne.
Obraz Nr 2
Jak widać na obrazach 2a i 2b, wewnątrz każdego urządzenia STEAM, terahercowe strumienie są dzielone poprzecznie przez cienkie metalowe blachy w kilku warstwach różnej grubości, z których każda działa jak falowód, przenosząc część całkowitej energii do obszaru interakcji. Każda warstwa zawiera również dielektryczne płyty, aby dostosować czas przybycia terahercowego frontu falowego* do frontu elektronów.
Front falowy* — powierzchnia, do której dotarła fala.
Oba urządzenia STEAM działają w trybie elektrycznym, to znaczy tak, aby wywoływać nakładanie pola elektrycznego i tłumienie pola magnetycznego w centrum obszaru interakcji.
W pierwszym urządzeniu elektrony są synchronicznie obliczane w taki sposób, aby przechodziły przez przejście przez zero* pola terahercowego, gdzie gradienty czasowe pola elektrycznego są maksymalne, a średnie pole minimalne.
Przejście przez zero* — to punkt, w którym nie ma napięcia.
Taka konfiguracja powoduje przyspieszenie ogona wiązki elektronowej oraz spowolnienie jej głowy, co prowadzi do balistycznego longitudinalnego ogniskowania (2a i 2c).
W drugim urządzeniu synchronizacja elektronu i promieniowania terahercowego jest ustalana w taki sposób, że wiązka elektronowa doświadcza tylko negatywnego cyklu terahercowego pola elektrycznego. Taka konfiguracja prowadzi do czystego ciągłego przyspieszenia (2b i 2d).
Laser z promieniowaniem NIR przypomina system Yb:YLF chłodzony kriogenicznie, który generuje impulsy optyczne o czasie trwania 1,2 ps i energii 50 mJ przy długości fali 1020 nm oraz częstotliwości powtarzania 10 Hz. Impulsy terahercowe o centralnej częstotliwości 0,29 teraherca (okres 3,44 ps) są generowane metodą nachyloną frontu impulsy.
Do zasilania STEAM-bunchera (sprężarki wiązki) wykorzystano zaledwie 2 x 50 nJ energii terahercowej, a dla STEAM-linaca (przyspieszacza liniowego) wymagana była energia 2 x 15 mJ.
Średnica otworów wejściowych i wyjściowych obu urządzeń STEAM wynosi 120 μm.
Sprężarka wiązki została zaprojektowana z trzema warstwami o tej samej wysokości (0,225 mm), które są wyposażone w płytki ze stopionego kwarcu (ϵr = 4,41) o długości 0,42 i 0,84 mm do kontrolowania synchronizacji czasowej. Równe wysokości warstw sprężarki odzwierciedlają fakt, że przyspieszenie nie ma miejsca (2c).
Natomiast w przyspieszaczu liniowym wysokości są już różne — 0,225, 0,225 i 0,250 mm (+ płytki ze stopionego kwarcu 0,42 i 0,84 mm). Zwiększenie wysokości warstwy tłumaczy zwiększenie prędkości elektronów podczas przyspieszania.
Naukowcy zauważają, że liczba warstw ma bezpośredni wpływ na funkcjonalność każdego z tych dwóch urządzeń. Aby osiągnąć wyższy stopień przyspieszenia, na przykład, potrzeba więcej warstw oraz innej konfiguracji wysokości w celu optymalizacji interakcji.
Wyniki praktycznych doświadczeń
Przede wszystkim badacze przypominają, że w tradycyjnych akceleratorach opartych na falach radiowych wpływ czasowego rozciągnięcia wprowadzonej wiązki elektronów na właściwości akcelerowanej wiązki związany jest ze zmianą pola elektrycznego doświadczanego podczas interakcji przez różne elektrony w obrębie wiązki, które docierają w różnym czasie. Można zatem przypuszczać, że pola o dużych gradientach i wiązki o większym czasie trwania prowadzą do większego rozrzutu energii. Wprowadzone wiązki o dużym czasie trwania mogą również prowadzić do wyższych wartości. emisji*.
Emisja* — przestrzeń fazowa zajmowana przez akcelerowaną wiązkę naładowanych cząstek.
W przypadku akceleratora terahercowego okres pola wzbudzania jest około 200 razy krótszy. W związku z tym, napięcie* podtrzymywanego pola będzie 10 razy wyższe.
Napięcie pola elektrycznego* — miara pola elektrycznego, równa stosunkowi siły przyłożonej do nieruchomego ładunku punktowego umieszczonego w danym punkcie pola do wielkości tego ładunku.
W ten sposób, w akceleratorze terahercowym gradienty pola odczuwane przez elektrony mogą być o kilka rzędów wielkości wyższe niż w tradycyjnym urządzeniu. Czas, w którym krzywizna pola jest zauważalna, jest znacznie krótszy. Z tego wynika, że czas trwania wprowadzonej wiązki elektronów będzie miało bardziej wyraźny wpływ.
Naukowcy postanowili praktycznie sprawdzić te teorie. W tym celu wprowadzali wiązki elektronów o różnym czasie trwania, który był kontrolowany przez skompresowanie za pomocą pierwszego urządzenia STEAM (STEAM-buncher).
Obraz nr 3
W przypadku, gdy kompresor nie był podłączony do źródła zasilania, wiązki elektronów (55 keV) z ładunkiem ~1 fC (femtokulon) przeszły około 300 mm od pistoletu elektronowego do urządzenia liniowego akceleratora (STEAM-linac). Te elektrony mogły rozszerzać się pod wpływem sił ładunku przestrzennego do czasu trwania bardziej niż 1000 fs (femtosekund).
Przy takim czasie trwania wiązka elektronowa zajmowała około 60% półfali pola akceleracyjnego o częstotliwości 1,7 ps, co prowadziło do widma energetycznego po akceleracji z maksimum przy 115 keV i szerokością półrozkładu energii większą niż 60 keV (3a).
Aby porównać te wyniki z oczekiwanymi, została zasymulowana sytuacja rozprzestrzeniania elektronów za pomocą liniowego akceleratora, w której elektrony były rozsynchornizowane (tzn. nie pasują do) względem optymalnego czasu wprowadzenia. Obliczenia tej sytuacji pokazały, że przyrost energii elektronów bardzo zależy od momentu wprowadzenia, aż do subpikosekundowej skali czasowej (3b). To znaczy, przy optymalnym ustawieniu elektron doświadczy pełnego półokresu przyspieszenia promieniowania terahercowego w każdej warstwie (3s).
Jeśli jednak elektrony przybywają w różnym czasie, to przeżywają mniejsze przyspieszenie w pierwszej warstwie, co wymaga więcej czasu na jej przejście. Następnie rozsynchornizacja wzrasta w kolejnych warstwach, co prowadzi do niepożądanego spowolnienia (3d).
Aby maksymalnie zminimalizować negatywny efekt czasowej rozciągłości wiązki elektronów, pierwsze urządzenie STEAM działało w trybie kompresji. Czas trwania wiązki elektronów w liniowym akceleratorze został zoptymalizowany do minimum ~ 350 fs (pełna szerokość) poprzez ustawienie energii terahercowej podawanej na kompresor oraz przełączenie liniowego akceleratora w tryb szkicowania (4b).
Obrazek nr 4
Minimalny czas trwania wiązki został określony na podstawie czasu trwania impulsu UV fotokatody, którego długość wynosiła ~ 600 fs. Ważną rolę odegrała również odległość między kompresorem a pasmem, co ograniczało siłę zagęszczenia w czasie. W połączeniu te środki pozwalają zapewnić femtosekundową precyzję fazy wprowadzenia na etapie przyspieszania.
Na obrazku 4a Widać, że rozrzut energii skompresowanej wiązki elektronowej po zoptymalizowanym przyspieszeniu w liniowym akceleratorze zmniejsza się o ~ 4 razy w porównaniu do nieskompresowanej. Dzięki przyspieszeniu spektrum energetyczne skompresowanej wiązki przesuwa się w stronę wyższych energii, w przeciwieństwie do nieskompresowanej wiązki. Szczyt spektrum energetycznego po przyspieszeniu wynosi około 115 keV, a wysoka energia ogonowa osiąga około 125 keV.
Te wyniki, według skromnych oświadczeń naukowców, są nowym rekordem przyspieszenia (do przyspieszenia było 70 keV) w zakresie terahercowym.
Jednak aby zmniejszyć rozrzut energii (4a), konieczne jest osiągnięcie jeszcze krótszej wiązki.
Obraz nr 5
W przypadku niespraszonego wprowadzonego pęku, paraboliczna zależność rozmiaru pęku od prądu ujawnia poprzeczny emittans w kierunkach poziomym i pionowym: εx,n = 1,703 mm*mrad oraz εy,n = 1,491 mm*mrad (5a).
Natomiast sprężenie poprawiło poprzeczny emittans 6-krotnie do εx,n = 0,285 mm*mrad (poziomy) i εy,n = 0,246 mm*mrad (pionowy).
Warto zauważyć, że stopień redukcji emittansu jest około dwukrotnie większy niż stopień skrócenia czasu pęku, co jest miarą nieliniowości dynamiki interakcji w czasie, gdy elektrony doświadczają silnej ogniskacji i defokusacji pola magnetycznego podczas przyspieszania (5b i 5c).
Na obrazku 5b widać, że elektrony wprowadzane w optymalnym czasie doświadczają całego półokresu przyspieszania pola elektrycznego. Natomiast elektrony, które przybywają przed lub po optymalnym czasie, doświadczają mniejszego przyspieszenia, a nawet częściowego spowolnienia. W rezultacie takie elektrony otrzymują mniej energii, mówiąc w uproszczeniu.
Podobna sytuacja występuje pod wpływem pola magnetycznego. Elektrony wprowadzane w optymalnym czasie doświadczają symetrycznej ilości dodatnich i ujemnych pól magnetycznych. Jeśli jednak wprowadzenie elektronów miało miejsce przed optymalnym czasem, to było więcej pól dodatnich i mniej ujemnych. W przypadku wprowadzenia elektronów później niż w optymalnym czasie — mniej pól dodatnich i więcej ujemnych (5c). Takie odchylenia prowadzą do tego, że elektron może się odchylić w lewo, w prawo, w górę lub w dół w zależności od położenia względem osi, co skutkuje zwiększeniem poprzecznego pędu, odpowiedzialnego za ogniskację lub defokusację wiązki.
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do i do niego.
Epilog
Podsumowując, wydajność akceleratora będzie rosła w przypadku skrócenia czasu trwania pęku elektronów. W tej pracy osiągalny czas trwania pęku był ograniczony geometrią instalacji. Jednak teoretycznie czas trwania pęku może wynosić mniej niż 100 fs.
Naukowcy zauważają również, że jakość pęku można dalej poprawić poprzez zmniejszenie wysokości warstw i zwiększenie ich liczby. Jednak ta metoda nie jest wolna od problemów, w szczególności zwiększa złożoność produkcji urządzenia.
Ta praca jest wstępnym etapem bardziej obszernego i szczegółowego badania miniaturnej wersji liniowego akceleratora. Mimo że przetestowana wersja już osiąga doskonałe wyniki, które można słusznie nazwać rekordowymi, przed nami wciąż wiele do zrobienia.
Dziękuję za uwagę, pozostawajcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia roboczego, chłopaki! 🙂
Dziękujemy, że z nami jesteś. Czy podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz widzieć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
