O princípio que conhecemos como "maior é mais poderoso" já se estabeleceu em muitos setores da vida social, incluindo ciência e tecnologia. No entanto, nas realidades atuais, encontramos cada vez mais a implementação prática do provérbio "pequeno, mas poderoso". Isso se manifesta tanto em computadores que antes ocupavam uma sala inteira, mas agora cabem na palma da mão de uma criança, quanto em aceleradores de partículas carregadas. Sim, você lembra do Grande Colisor de Hádrons (LHC), cujas dimensões impressionantes (26.659 m de comprimento) estão literalmente indicadas em seu nome? Pois bem, isso já é passado na opinião dos cientistas do DESY, que desenvolveram uma versão miniaturizada do acelerador, que, em termos de desempenho, não fica a dever ao seu predecessor em tamanho completo. Além disso, o miniacelerador até estabeleceu um novo recorde mundial entre aceleradores de terahertz, dobrando a energia dos elétrons inseridos. Como foi desenvolvido o miniacelerador, quais são os princípios fundamentais de seu funcionamento e o que mostraram os experimentos práticos? É isso que o relatório do grupo de pesquisa nos ajudará a descobrir. Vamos lá.
Base da pesquisa
De acordo com Dongfang Zhang e seus colegas do DESY (Centro Alemão de Sincronização Eletrônica), que desenvolveram o miniacelerador, fontes de elétrons ultrarrápidas desempenham um papel extremamente importante na vida moderna. Muitas delas se manifestam na medicina, no desenvolvimento de eletrônicos e em pesquisas científicas. O maior desafio dos atuais aceleradores lineares que usam geradores de radiofrequência é o seu alto custo, a complexidade da infraestrutura e a enorme demanda por energia. Esses problemas limitam severamente a acessibilidade dessas tecnologias a um público mais amplo.
Esses problemas óbvios são um excelente incentivo para o desenvolvimento de dispositivos cujas dimensões não causem temor, assim como o consumo de energia.
Entre as inovações recentes nesta área, podemos destacar os aceleradores de terahertz, que têm uma série de "vantagens":
- espera-se que as ondas curtas e os pulsos curtos da radiação terahertz aumentem consideravelmente o limite de ruptura*, causado pelo campo, o que permitirá aumentar os gradientes de aceleração;
Ruptura elétrica* O aumento abrupto da corrente ao aplicar uma tensão acima do crítico.
- A presença de métodos eficazes de geração de radiação terahertz de alto campo permite a sincronização interna entre elétrons e campos de excitação;
- Para a criação de tais dispositivos, podem ser aplicados métodos clássicos, mas seu custo, tempo de produção e tamanho serão drasticamente reduzidos.
Os cientistas acreditam que seu acelerador terahertz em escala milimétrica é um compromisso entre os aceleradores convencionais que existem atualmente e microaceleradores que estão sendo desenvolvidos, mas que têm várias desvantagens devido ao seu tamanho extremamente pequeno.
Os pesquisadores não negam que a tecnologia de aceleração terahertz já está em desenvolvimento há algum tempo. No entanto, em sua opinião, ainda há muitos aspectos nessa área que não foram estudados, verificados ou implementados.
Em seu trabalho, que estamos analisando hoje, os cientistas demonstram as capacidades do STEAM (acelerador e manipulador de elétrons terahertz segmentados) — um acelerador e manipulador de elétrons terahertz segmentados. O STEAM permite reduzir o comprimento do feixe de elétrons a uma duração sub-picossegundos, garantindo assim controle femtossegundo sobre a fase de aceleração.
Foi alcançado um campo de aceleração de 200 MV/m (MV — megavolt), resultando em uma aceleração terahertz recorde de > 70 keV (quiloelétron-volts) do feixe de elétrons injetado com energia de 55 keV. Dessa forma, elétrons acelerados de até 125 keV foram obtidos.
Estrutura do dispositivo e sua implementação
Imagem nº 1: esquema do dispositivo em estudo.
Imagem nº 1-2: a — esquema da estrutura segmentada de 5 camadas desenvolvida, b — a relação entre a aceleração calculada e a direção de propagação dos elétrons.
Feixes de elétrons (55 keV) são gerados a partir de um canhão eletrônico* e injetados em um STEAM-buncher terahertz (compressor de feixe), após o que passam para o STEAM-linac (acelerador linear*).
Canhão eletrônico* — dispositivo de geração de feixe de elétrons na configuração e energia necessárias.
Acelerador linear* — acelerador no qual partículas carregadas passam pela estrutura apenas uma vez, o que diferencia o acelerador linear do cíclico (por exemplo, LHC).
Ambos dispositivos STEAM recebem pulsos terahertz de um único laser de luz infravermelha próxima (NIR), que também aciona o fotocátodo da pistola eletrônica, resultando em uma sincronia interna entre os elétrons e os campos aceleradores. Pulsos ultravioleta para fotoemissão no fotocátodo são gerados através de duas etapas sequenciais. GVG* da principal comprimento de onda da luz infravermelha próxima. Este processo converte o pulso laser com comprimento de onda de 1020 nm primeiro em 510 nm, e depois em 255 nm.
GVG* (geração da segunda harmônica óptica) — o processo de combinação de fótons com a mesma frequência durante a interação com um material não linear, resultando na formação de novos fótons com o dobro da energia e frequência, e com comprimento de onda duas vezes menor.
O restante do feixe do laser NIR é dividido em 4 feixes, que são usados para gerar quatro pulsos terahertz de um ciclo através da geração de diferença nas frequências intra-pulso.
Dois pulsos terahertz são então direcionados a cada dispositivo STEAM através de estruturas de chifre simétricas, que direcionam a energia terahertz para a região de interação atravessando a direção de propagação dos elétrons.
Quando os elétrons entram em cada um dos dispositivos STEAM, eles são submetidos a componentes elétricos e magnéticos. força de Lorentz*.
A força de Lorentz* é a força com que um campo eletromagnético atua sobre uma partícula carregada.
Neste caso, o campo elétrico é responsável pela aceleração e desaceleração, enquanto o campo magnético causa desvios transversais.
Imagem nº 2
Como podemos ver nas imagens 2a e 2b, dentro de cada dispositivo STEAM, os feixes terahertz são divididos transversalmente por finas folhas metálicas em várias camadas de diferentes espessuras, cada uma atuando como um guia de onda, transferindo parte da energia total para a região de interação. Também em cada camada, existem placas dielétricas para sincronizar o tempo de chegada da frente de onda terahertz* frente de onda* com a frente dos elétrons.
Frente de onda* é a superfície alcançada pela onda.
Ambos os dispositivos STEAM operam no modo elétrico, ou seja, para produzir sobreposição do campo elétrico e supressão do campo magnético no centro da região de interação.
No primeiro dispositivo, os elétrons são cronometrados para passar por um cruzamento zero* do campo terahertz, onde os gradientes temporais do campo elétrico são maximizados, enquanto o campo médio é minimizado.
Cruzamento zero* é o ponto onde não há tensão.
Essa configuração provoca a aceleração da cauda do feixe de elétrons e a desaceleração da sua cabeça, resultando em um foco longitudinal balístico (2a e 2c).
No segundo dispositivo, a sincronização do elétron e da radiação terahertz é ajustada de modo que o feixe de elétrons experimente apenas o ciclo negativo do campo elétrico terahertz. Essa configuração leva a uma aceleração contínua pura (2b e 2d).
Um laser com radiação NIR é semelhante a um sistema Yb:YLF resfriado criogenicamente, que emite pulsos ópticos com duração de 1,2 ps e energia de 50 mJ a um comprimento de onda de 1020 nm e frequência de repetição de 10 Hz. Pulsos terahertz com frequência central de 0,29 terahertz (período de 3,44 ps) são gerados pelo método de frente inclinada do pulso.
Para alimentar o STEAM-buncher (compressor de feixe), foram utilizados apenas 2 x 50 nJ de energia terahertz, enquanto o STEAM-linac (acelerador linear) exigiu 2 x 15 mJ.
O diâmetro das entradas e saídas de ambos os dispositivos STEAM é de 120 µm.
O compressor de feixe é projetado com três camadas de altura igual (0,225 mm), equipadas com placas de quartzo fundido (ϵr = 4,41) de comprimento 0,42 e 0,84 mm para controle de sincronização temporal. A altura uniforme das camadas do compressor reflete o fato de que a aceleração não ocorre (2c).
No entanto, no acelerador linear, as alturas já são diferentes — 0,225, 0,225 e 0,250 mm (+ placas de quartzo fundido de 0,42 e 0,84 mm). O aumento da altura da camada explica o aumento da velocidade dos elétrons durante a aceleração.
Os cientistas observam que o número de camadas está diretamente relacionado à funcionalidade de cada um dos dois dispositivos. Para alcançar um grau mais alto de aceleração, por exemplo, será necessário mais camadas e outra configuração de alturas para otimizar a interação.
Os resultados de experimentos práticos
Em primeiro lugar, os pesquisadores lembram que, em aceleradores tradicionais baseados em radiofrequência, a influência da duração temporal do feixe eletrônico inserido nas propriedades do feixe acelerado está relacionada à mudança do campo elétrico experimentado durante a interação por diferentes elétrons dentro do feixe, que chegam em momentos diferentes. Assim, pode-se supor que campos com maiores gradientes e feixes com maior duração resultarão em uma maior dispersão de energias. Feixes introduzidos com grande duração também podem levar a valores mais altos. emitâncias*.
Emitância* — o espaço de fase que ocupa um feixe acelerado de partículas carregadas.
No caso de um acelerador terahertz, o período do campo de excitação é aproximadamente 200 vezes mais curto. Portanto, intensidade* do campo mantido será 10 vezes maior.
Intensidade do campo elétrico* — uma medida do campo elétrico, igual à razão entre a força aplicada a uma carga pontual em repouso, colocada nesse ponto do campo, e a magnitude dessa carga.
Assim, em um acelerador terahertz, os gradientes de campo experimentados pelos elétrons podem ser várias ordens de magnitude maiores do que em um dispositivo convencional. O intervalo de tempo no qual a curvatura do campo é visível será significativamente menor. Conclui-se que a duração do feixe de elétrons inserido terá uma influência mais pronunciada.
Os cientistas decidiram testar esses dados teoricamente na prática. Para isso, eles introduziram feixes de elétrons de diferentes durações, que eram controladas por meio de compressão usando o primeiro dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Imagem nº 3
No caso em que o compressor não estava conectado à fonte de alimentação, feixes de elétrons (55 keV) com carga de ∼1 fC (femtocoulomb) percorriam aproximadamente 300 mm da pistola eletrônica até o dispositivo de acelerador linear (STEAM-linac). Esses elétrons podiam se expandir sob a ação das forças de carga espacial até durações superiores a 1000 fs (femtosegundo).
Com essa duração, o feixe eletrônico ocupava cerca de 60% da meia onda do campo acelerador com frequência de 1,7 ps, resultando em um espectro energético após a aceleração com pico em 115 keV e largura de meia distribuição de energia superior a 60 keV.3a).
Para comparar esses resultados com os esperados, foi modelada uma situação de propagação de elétrons através de um acelerador linear, quando os elétrons estavam desencontrados (ou seja, não coincidem) em relação ao tempo ideal de injeção. Os cálculos dessa situação mostraram que o aumento de energia dos elétrons depende muito do momento de injeção, chegando a escalas de tempo sub-picossegundo.3bOu seja, na configuração ideal, o elétron experimentará um período completo de aceleração da radiação terahertz em cada camada.3c).
Se os elétrons chegarem em momentos diferentes, eles experimentarão uma aceleração menor na primeira camada, o que requer mais tempo para atravessá-la. Em seguida, o desencontro se intensifica nas camadas seguintes, levando a um retardamento indesejado.3d).
Para minimizar o efeito negativo da extensão temporal do feixe de elétrons, o primeiro dispositivo STEAM operou em modo de compressão. A duração do feixe de elétrons no acelerador linear foi otimizada ao mínimo de ~ 350 fs (meia largura) ajustando a energia terahertz aplicada ao compressor e mudando o acelerador linear para o modo de varredura.4b).
Imagem nº 4
A duração mínima do feixe foi estabelecida de acordo com a duração do impulso UV do fotocátodo, que era de ~ 600 fs. A distância entre o compressor e a faixa também teve um papel importante, limitando a força de compressão em velocidade. Em conjunto, essas medidas permitem garantir precisão femtossegundária na fase de injeção durante a aceleração.
Na imagem 4a É visível que a dispersão de energia do feixe de elétrons comprimido após a aceleração otimizada no acelerador linear diminui em cerca de 4 vezes em comparação com o feixe não comprimido. Graças à aceleração, o espectro de energia do feixe comprimido se desloca para energias mais altas, ao contrário do feixe não comprimido. O pico do espectro de energia após a aceleração é de cerca de 115 keV, enquanto a cauda de alta energia atinge cerca de 125 keV.
Esses valores, segundo os modestos relatos dos cientistas, representam um novo recorde de aceleração (anteriormente era 70 keV) na faixa terahertz.
Mas, para reduzir a dispersão de energia,4aé necessário alcançar um feixe ainda mais curto.
Imagem №5
No caso de um feixe de entrada não comprimido, a dependência parabólica do tamanho do feixe em relação à corrente revela a emittance transversal nas direções horizontal e vertical: εx,n = 1.703 mm*mrad e εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
A compressão, por sua vez, melhorou a emittance transversal em 6 vezes para εx,n = 0.285 mm*mrad (horizontal) e εy,n = 0.246 mm*mrad (vertical).
Vale ressaltar que o grau de redução da emittance é cerca de duas vezes maior do que o grau de redução da duração do feixe, o que é uma medida da não linearidade da dinâmica de interação ao longo do tempo, quando os elétrons experimentam forte foco e desfoco do campo magnético durante a aceleração (5b e 5c).
Na imagem 5b é evidente que os elétrons introduzidos no momento ideal experimentam todo meio período de aceleração do campo elétrico. Já os elétrons que chegam antes ou depois do momento ideal experimentam menos aceleração e até desaceleração parcial. Como resultado, esses elétrons recebem menos energia, grosso modo.
Uma situação semelhante é observada com a ação do campo magnético. Os elétrons introduzidos no momento ideal experimentam uma quantidade simétrica de campos magnéticos positivos e negativos. Se a introdução de elétrons ocorreu antes do momento ideal, houve mais campos positivos e menos negativos. No caso de a introdução de elétrons ocorrer após o momento ideal, houve menos positivos e mais negativos (5c). E tais desvios levam a que o elétron pode desviar para a esquerda, para a direita, para cima ou para baixo, dependendo da posição em relação ao eixo, resultando em um aumento do impulso transversal correspondente ao foco ou desfoco do feixe.
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em e para ele.
Epílogo
Resumindo, o desempenho do acelerador aumentará caso a duração do feixe de elétrons seja reduzida. Neste trabalho, a duração alcançável do feixe foi limitada pela geometria da instalação. Mas, em teoria, a duração do feixe pode chegar a menos de 100 fs.
Além disso, os cientistas observam que a qualidade do feixe pode ser aprimorada no futuro através da redução da altura das camadas e do aumento de seu número. No entanto, esse método não está isento de problemas, em particular o aumento da complexidade da fabricação do dispositivo.
Este trabalho é uma etapa inicial de um estudo mais amplo e detalhado sobre a versão em miniatura do acelerador linear. Embora a versão testada já apresente excelentes resultados, que podem ser justamente considerados recordes, ainda há muito a ser feito.
Agradeço pela atenção, mantenham-se curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com
