Znana zasada „więcej znaczy mocniej” od dawna obowiązuje w wielu sektorach społeczeństwa, w tym w nauce i technologii. Jednak we współczesnych realiach coraz częściej spotyka się praktyczną realizację powiedzenia „mały, ale odważny”. Przejawia się to zarówno w komputerach, które wcześniej zajmowały cały pokój, a teraz mieszczą się w dłoni dziecka, jak i w akceleratorach cząstek. Tak, tak, pamiętacie Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), którego imponujące wymiary (26 659 m długości) są dosłownie wskazane w jego nazwie? Cóż, to już przeszłość, twierdzą naukowcy z DESY, którzy opracowali miniaturową wersję akceleratora, który pod względem wydajności nie ustępuje swojemu pełnowymiarowemu poprzednikowi. Co więcej, miniakcelerator ustanowił nawet nowy rekord świata wśród akceleratorów terahercowych, podwajając energię wszczepionych elektronów. Jak powstał miniaturowy akcelerator, jakie są główne zasady jego działania i co wykazały praktyczne eksperymenty? W poznaniu tego pomoże nam raport grupy badawczej. Iść.
Baza badawcza
Według Dongfanga Zhanga i jego współpracowników z DESY (niemiecki Synchrotron Elektronowy), który opracował miniakcelerator, ultraszybkie źródła elektronów odgrywają niezwykle ważną rolę we współczesnym społeczeństwie. Wiele z nich przejawia się w medycynie, rozwoju elektroniki i badaniach naukowych. Największym problemem obecnych urządzeń liniowych wykorzystujących oscylatory RF jest ich wysoki koszt, złożoność infrastruktury i ogromny apetyt na zużycie energii. A takie niedociągnięcia poważnie ograniczają dostępność takich technologii dla szerszego grona użytkowników.
Te oczywiste problemy stanowią świetną zachętę do opracowania urządzeń, które nie będą onieśmielające zarówno rozmiarem, jak i stopniem zużycia energii.
Wśród względnych nowości w tej branży można wyróżnić akceleratory terahercowe, które mają szereg „bajerów”:
- oczekuje się, że krótkie fale i krótkie impulsy promieniowania terahercowego pozwolą na znaczne podniesienie progu załamanie*, wywołane przez pole, które zwiększy gradienty przyspieszenia;
Awaria elektryczna* - gwałtowny wzrost natężenia prądu, gdy napięcie zostanie przyłożone powyżej wartości krytycznej.
- dostępność skutecznych metod generowania wysokopolowego promieniowania terahercowego umożliwia przeprowadzenie wewnętrznej synchronizacji pomiędzy elektronami a polami wzbudzenia;
- Do tworzenia takich urządzeń można zastosować klasyczne metody, ale ich koszt, czas produkcji i rozmiar zostaną znacznie obniżone.
Naukowcy uważają, że ich akcelerator terahercowy w skali milimetrowej stanowi kompromis pomiędzy dostępnymi obecnie konwencjonalnymi akceleratorami a opracowywanymi mikroakceleratorami, które mają jednak wiele wad ze względu na i tak już bardzo małe wymiary.
Naukowcy nie zaprzeczają, że technologia przyspieszania terahercowego jest w fazie rozwoju już od jakiegoś czasu. Jednak ich zdaniem nadal istnieje wiele aspektów w tym obszarze, które nie zostały zbadane, przetestowane i wdrożone.
W swojej pracy, którą dziś rozważamy, naukowcy demonstrują możliwości STEAM (segmentowy terahercowy akcelerator i manipulator elektronów) to segmentowy terahercowy akcelerator i manipulator elektronów. STEAM umożliwia zmniejszenie długości wiązki elektronów do czasu trwania poniżej pikosekundy, zapewniając w ten sposób femtosekundową kontrolę nad fazą przyspieszania.
Udało się uzyskać pole przyspieszeń o wartości 200 MV/m (MV - megawolt), co prowadzi do rekordowego przyspieszenia terahercowego > 70 keV (kiloelektronowolt) z wszczepionej wiązki elektronów o energii 55 keV. Uzyskano w ten sposób elektrony przyspieszone do 125 keV.
Struktura urządzenia i implementacja
Obraz #1: Schemat badanego urządzenia.
Rysunek nr 1-2: a - schemat opracowanej 5-warstwowej struktury segmentowej, b - stosunek obliczonego przyspieszenia do kierunku propagacji elektronu.
Z niego generowane są wiązki elektronów (55 keV). działo elektronowe* i są wprowadzane do terahercowego bufora STEAM (sprężarki wiązki), po czym są przesyłane do STEAM-linac (akcelerator liniowy*).
Działo elektronowe* — urządzenie do wytwarzania wiązki elektronów o wymaganej konfiguracji i energii.
Akcelerator liniowy* - akcelerator, w którym naładowane cząstki przechodzą przez strukturę tylko raz, co odróżnia akcelerator liniowy od cyklicznego (np. LHC).
Obydwa urządzenia STEAM odbierają impulsy terahercowe z pojedynczego lasera bliskiej podczerwieni (NIR), który uruchamia również fotokatodę działa elektronowego, powodując wewnętrzną synchronizację między elektronami a przyspieszającymi polami. Impulsy ultrafioletowe służące do fotoemisji na fotokatodzie są generowane w dwóch kolejnych etapach Gvg* podstawowa długość fali bliskiej podczerwieni. Proces ten przekształca najpierw impuls lasera o długości 1020 nm w 510 nm, a następnie w 255 nm.
Gvg* (generacja drugiej harmonicznej) - proces łączenia fotonów o tej samej częstotliwości podczas oddziaływania z materiałem nieliniowym, co prowadzi do powstania nowych fotonów o dwukrotnie większej energii i częstotliwości, a także o połowie długości fali.
Pozostała część wiązki lasera NIR jest podzielona na 4 wiązki, które służą do wygenerowania czterech jednocyklowych impulsów terahercowych poprzez wygenerowanie wewnątrzimpulsowej różnicy częstotliwości.
Następnie dwa impulsy terahercowe docierają do każdego urządzenia STEAM przez symetryczne struktury tubowe, które kierują energię terahercową do obszaru interakcji w poprzek kierunku propagacji elektronów.
Gdy elektrony dostają się do każdego z urządzeń STEAM, są narażone na działanie elementów elektrycznych i magnetycznych. Siły Lorentza*.
Siła Lorentza* jest siłą, z jaką pole elektromagnetyczne działa na naładowaną cząstkę.
W tym przypadku pole elektryczne odpowiada za przyspieszanie i zwalnianie, natomiast pole magnetyczne powoduje odchylenia boczne.
Obraz nr 2
Jak widzimy na zdjęciach 2a и 2bwewnątrz każdego urządzenia STEAM wiązki terahercowe są rozdzielone poprzecznie cienkimi blachami na kilka warstw o różnej grubości, z których każda działa jak falowód, przenosząc część całkowitej energii do obszaru interakcji. Ponadto w każdej warstwie znajdują się płytki dielektryczne odpowiadające czasowi przybycia sygnału terahercowego. czoło fali* z frontem elektronowym.
Czoło fali* jest powierzchnią, do której dotarła fala.
Obydwa urządzenia STEAM działają w trybie elektrycznym, czyli w taki sposób, aby w środku obszaru oddziaływania wytwarzać pole elektryczne i tłumienie pola magnetycznego.
W pierwszym urządzeniu elektrony mają czas na przejście przejście przez zero* pole terahercowe, w którym chwilowe gradienty pola elektrycznego są maksymalizowane, a pole średnie minimalizowane.
Przejście przez zero* - punkt, w którym nie ma napięcia.
Taka konfiguracja powoduje przyspieszanie ogona wiązki elektronów i zwalnianie jej głowy, co skutkuje balistycznym ogniskowaniem wzdłużnym (2a и 2s).
W drugim urządzeniu synchronizację promieniowania elektronowego i terahercowego ustawia się tak, aby wiązka elektronów doświadczała jedynie ujemnego cyklu terahercowego pola elektrycznego. Taka konfiguracja skutkuje ciągłym przyspieszeniem netto (2b и 2d).
Laser NIR przypomina chłodzony kriogenicznie układ Yb:YLF, który wytwarza impulsy optyczne o czasie trwania 1.2 ps i energii 50 mJ przy długości fali 1020 nm i częstotliwości powtarzania 10 Hz. Impulsy terahercowe o częstotliwości środkowej 0.29 teraherca (okres 3.44 ps) są generowane metodą pochylonego czoła impulsu.
Do zasilania bufora STEAM (kompresora wiązki) zużyto jedynie energię terahercową 2 x 50 nJ, podczas gdy w przypadku STEAM-linac (akceleratora liniowego) wymagane było 2 x 15 mJ.
Średnica wlotu i wylotu obu urządzeń STEAM wynosi 120 µm.
Sprężarka belkowa składa się z trzech warstw o tej samej wysokości (0 mm), które są wyposażone w płytki z topionej krzemionki (ϵr =225) o długości 4.41 i 0.42 mm do kontroli rozrządu. Równe wysokości warstw sprężarek odzwierciedlają fakt, że nie występuje żadne przyspieszenie (2s).
Ale w akceleratorze liniowym wysokości są już różne - 0.225, 0.225 i 0.250 mm (+ płytki ze stopionego kwarcu 0.42 i 0.84 mm). Wzrost wysokości warstwy wyjaśnia wzrost prędkości elektronów podczas przyspieszania.
Naukowcy zauważają, że za funkcjonalność każdego z dwóch urządzeń bezpośrednio odpowiada liczba warstw. Na przykład, aby osiągnąć wyższy stopień przyspieszenia, wymagana będzie większa liczba warstw i inna konfiguracja wysokości w celu optymalizacji interakcji.
Wyniki eksperymentów praktycznych
Przede wszystkim naukowcy przypominają, że w tradycyjnych akceleratorach RF wpływ czasowego zasięgu wszczepionej wiązki elektronów na właściwości wiązki przyspieszanej wiąże się ze zmianą pola elektrycznego występującego podczas oddziaływania różnych elektronów w obrębie wiązka docierająca w różnym czasie. Można zatem założyć, że pola o dużym nachyleniu i wiązki o dłuższym czasie trwania będą prowadzić do większego rozproszenia energii. Długotrwałe wtryskiwane belki mogą również prowadzić do wyższych wartości emitancja*.
Emitancja* jest przestrzenią fazową zajmowaną przez przyspieszoną wiązkę naładowanych cząstek.
W przypadku akceleratora terahercowego okres pola wzbudzenia jest około 200 razy krótszy. Stąd, napięcie* obsługiwane pole będzie 10 razy większe.
Siła pola elektrycznego* - wskaźnik pola elektrycznego, równy stosunkowi siły przyłożonej do ładunku o stałym punkcie umieszczonego w danym punkcie pola, do wielkości tego ładunku.
Zatem w akceleratorze terahercowym gradienty pola doświadczanego przez elektrony mogą być o kilka rzędów wielkości większe niż w konwencjonalnym urządzeniu. Skala czasowa, w której zauważalna jest krzywizna pola, będzie w tym przypadku znacznie mniejsza. Wynika z tego, że czas trwania wprowadzonej wiązki elektronów będzie miał bardziej wyraźny wpływ.
Naukowcy w praktyce postanowili sprawdzić te teorie. W tym celu wprowadzili wiązki elektronów o różnym czasie trwania, które kontrolowano poprzez kompresję za pomocą pierwszego urządzenia STEAM (buncher STEAM).
Obraz nr 3
W przypadku, gdy sprężarka nie była podłączona do źródła zasilania, wiązki elektronów (55 keV) o ładunku ∼1 fC (femtokulomb) przebyły odległość około 300 mm od działa elektronowego do akceleratora liniowego (STEAM-linac). Elektrony te mogą rozszerzać się pod działaniem sił ładunku kosmicznego aż do czasu przekraczającego 1000 fs (femtosekund).
Przy tym czasie wiązka elektronów zajmowała około 60% półfali pola przyspieszającego o częstotliwości 1,7 ps, co doprowadziło do widma energii po przyspieszeniu z wartością szczytową przy 115 keV i szerokością połówkową rozkładu energii wynoszącą więcej niż 60 keV (3a).
Aby porównać te wyniki z oczekiwanymi, symulowano sytuację propagacji elektronów w akceleratorze liniowym, gdy elektrony nie były zsynchronizowane (tzn. nie pasowały) względem optymalnego czasu wtrysku. Obliczenia takiej sytuacji wykazały, że wzrost energii elektronu jest bardzo zależny od momentu wprowadzenia aż do subpikosekundowej skali czasu (3b). Oznacza to, że przy optymalnym dostrojeniu elektron doświadczy pełnego półcyklu przyspieszenia promieniowania terahercowego w każdej warstwie (3s).
Jeżeli elektrony docierają w różnym czasie, to w pierwszej warstwie doświadczają mniejszego przyspieszenia, przez co potrzebują więcej czasu na przejście przez nią. Desynchronizacja następnie wzrasta w kolejnych warstwach, powodując niepożądane spowolnienie (3d).
Aby zminimalizować negatywny wpływ czasowej długości wiązki elektronów, pierwsze urządzenie STEAM pracowało w trybie kompresji. Czas trwania wiązki elektronów w układzie liniowym zoptymalizowano do minimum ~350 fs (połowa szerokości) poprzez dostrojenie energii terahercowej dostarczanej do sprężarki i przełączenie układu liniowego w tryb kreskowania (4b).
Obraz nr 4
Minimalny czas trwania wiązki ustalono zgodnie z czasem trwania impulsu UV fotokatody, którego czas trwania wynosił ~600 fs. Ważną rolę odgrywała także odległość kompresora od taśmy, która ograniczała prędkość działania siły zagęszczającej. Łącznie środki te umożliwiają zapewnienie femtosekundowej dokładności fazy wtrysku na etapie przyspieszania.
Na obrazie 4a Można zauważyć, że rozproszenie energii skompresowanej wiązki elektronów po zoptymalizowanym przyspieszeniu w akceleratorze liniowym zmniejsza się ~4-krotnie w porównaniu z akceleratorem nieskompresowanym. Na skutek przyspieszenia widmo energetyczne wiązki skompresowanej przesuwa się w stronę wyższych energii, w przeciwieństwie do wiązki nieskompresowanej. Szczyt widma energii po przyspieszeniu wynosi około 115 keV, a ogon wysokoenergetyczny osiąga około 125 keV.
Wskaźniki te, według skromnego oświadczenia naukowców, stanowią nowy rekord przyspieszenia (przed przyspieszeniem było to 70 keV) w zakresie terahercowym.
Aby jednak zmniejszyć rozprzestrzenianie się energii (4a), konieczne jest uzyskanie jeszcze krótszej belki.
Obraz nr 5
W przypadku nieskompresowanej wiązki wtryskiwanej, paraboliczna zależność wielkości wiązki od prądu ujawnia emitancję poprzeczną w kierunku poziomym i pionowym: εx,n = 1.703 mm*mrad i εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresja z kolei poprawiła emitancję poprzeczną 6-krotnie do εx,n = 0,285 mm*mrad (w poziomie) i εy,n = 0,246 mm*mrad (w pionie).
Warto zauważyć, że stopień zmniejszenia emitancji jest około dwukrotnie większy niż stopień zmniejszenia czasu trwania wiązki, który jest miarą nieliniowości dynamiki interakcji w czasie, gdy elektrony ulegają silnemu ogniskowaniu i rozogniskowi pole magnetyczne podczas przyspieszania (5b и 5s).
Na obrazie 5b widać, że elektrony wprowadzone w optymalnym czasie przechodzą cały półcykl przyspieszenia pola elektrycznego. Jednak elektrony, które docierają przed optymalnym punktem czasowym lub po nim, doświadczają mniejszego przyspieszenia, a nawet częściowego opóźnienia. W rezultacie takie elektrony otrzymują, z grubsza, mniej energii.
Podobną sytuację obserwuje się pod wpływem pola magnetycznego. Elektrony wstrzyknięte w optymalnym czasie doświadczają symetrycznej ilości dodatnich i ujemnych pól magnetycznych. Jeżeli wprowadzenie elektronów nastąpiło przed optymalnym czasem, wówczas było więcej pól dodatnich, a mniej ujemnych. W przypadku wprowadzenia elektronów później niż optymalny czas, dodatnich jest mniej, a więcej ujemnych (5s). A takie odchylenia prowadzą do tego, że elektron może odchylać się w lewo, w prawo, w górę lub w dół, w zależności od położenia względem osi, co prowadzi do wzrostu pędu poprzecznego odpowiadającego ogniskowaniu lub rozogniskowi wiązki.
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się и do niego.
Epilog
Podsumowując, wydajność akceleratora wzrośnie, jeśli zmniejszy się czas trwania wiązki elektronów. W tym artykule osiągalny czas trwania wiązki był ograniczony geometrią ustawienia. Ale teoretycznie czas trwania wiązki może osiągnąć mniej niż 100 fs.
Naukowcy zauważają również, że jakość wiązki można jeszcze poprawić, zmniejszając wysokość warstw i zwiększając ich liczbę. Jednakże sposób ten nie jest pozbawiony problemów, w szczególności zwiększonej złożoności wytwarzania urządzenia.
Niniejsza praca stanowi wstępny etap bardziej rozbudowanych i szczegółowych badań nad miniaturową wersją akceleratora liniowego. Pomimo tego, że testowana wersja notuje już znakomite wyniki, które słusznie można nazwać rekordem, przed nami jeszcze sporo pracy.
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com