O conhecido princípio de “mais é mais poderoso” foi estabelecido há muito tempo em muitos setores da sociedade, incluindo a ciência e a tecnologia. No entanto, nas realidades modernas, a implementação prática do ditado “pequeno, mas poderoso” está a tornar-se cada vez mais comum. Isso se manifesta tanto nos computadores, que antes ocupavam uma sala inteira, mas agora cabiam na palma da mão de uma criança, quanto nos aceleradores de partículas carregadas. Sim, lembra-se do Grande Colisor de Hádrons (LHC), cujas impressionantes dimensões (26 m de comprimento) estão literalmente indicadas em seu nome? Então, isso já é coisa do passado segundo cientistas da DESY, que desenvolveram uma versão em miniatura do acelerador, que não tem desempenho inferior ao seu antecessor em tamanho real. Além disso, o miniacelerador ainda estabeleceu um novo recorde mundial entre os aceleradores de terahertz, duplicando a energia dos elétrons incorporados. Como foi desenvolvido o acelerador miniatura, quais os princípios básicos de seu funcionamento e o que os experimentos práticos mostraram? O relatório do grupo de pesquisa nos ajudará a descobrir isso. Ir.
Base do estudo
De acordo com Dongfang Zhang e seus colegas do DESY (Síncrotron de Elétrons Alemão), que desenvolveram o miniacelerador, as fontes de elétrons ultrarrápidas desempenham um papel extremamente importante na vida da sociedade moderna. Muitos deles aparecem na medicina, no desenvolvimento de eletrônicos e na pesquisa científica. O maior problema dos atuais aceleradores lineares que utilizam osciladores de radiofrequência é o seu alto custo, infraestrutura complexa e impressionante consumo de energia. E tais deficiências limitam enormemente a disponibilidade de tais tecnologias a uma gama mais ampla de utilizadores.
Esses problemas óbvios são um grande incentivo para desenvolver dispositivos cujo tamanho e consumo de energia não causem horror.
Entre as novidades relativas nesta indústria estão os aceleradores terahertz, que apresentam uma série de “benefícios”:
- Espera-se que ondas curtas e pulsos curtos de radiação terahertz aumentem significativamente o limiar discriminação*, causado pelo campo, que aumentará os gradientes de aceleração;
Avaria elétrica* - um aumento acentuado na intensidade da corrente quando uma tensão acima da crítica é aplicada.
- a presença de métodos eficazes para gerar radiação terahertz de alto campo permite a sincronização interna entre elétrons e campos de excitação;
- Métodos clássicos podem ser usados para criar tais dispositivos, mas seu custo, tempo de produção e tamanho serão bastante reduzidos.
Os cientistas acreditam que seu acelerador terahertz em escala milimétrica é um compromisso entre os aceleradores convencionais que estão atualmente disponíveis e os microaceleradores que estão sendo desenvolvidos, mas têm muitas desvantagens devido às suas dimensões muito pequenas.
Os pesquisadores não negam que a tecnologia de aceleração terahertz esteja em desenvolvimento há algum tempo. No entanto, na sua opinião, ainda existem muitos aspectos nesta área que não foram estudados, testados ou implementados.
Em seu trabalho, que estamos considerando hoje, os cientistas demonstram as capacidades do STEAM (acelerador e manipulador de elétrons terahertz segmentado) - um acelerador e manipulador de elétrons terahertz segmentado. O STEAM torna possível reduzir o comprimento do feixe de elétrons para uma duração inferior a picossegundos, proporcionando assim controle de femtossegundos sobre a fase de aceleração.
Foi possível atingir um campo de aceleração de 200 MV/m (MV - megavolt), o que leva a uma aceleração recorde em terahertz de > 70 keV (quiloelétron-volt) do feixe de elétrons incorporado com uma energia de 55 keV. Desta forma, foram obtidos elétrons acelerados de até 125 keV.
Estrutura e implementação do dispositivo
Imagem nº 1: diagrama do dispositivo em estudo.
Imagem nº 1-2: a - diagrama da estrutura segmentada de 5 camadas desenvolvida, b - razão entre a aceleração calculada e a direção de propagação dos elétrons.
Feixes de elétrons (55 keV) são gerados a partir de Canhão de elétrons* e são introduzidos no terahertz STEAM-buncher (compressor de feixe), após o qual passam para o STEAM-linac (acelerador linear*).
Canhão de elétrons* — um dispositivo para gerar um feixe de elétrons com a configuração e energia necessárias.
Acelerador linear* - um acelerador no qual as partículas carregadas passam pela estrutura apenas uma vez, o que distingue um acelerador linear de um cíclico (por exemplo, o LHC).
Ambos os dispositivos STEAM recebem pulsos terahertz de um único laser infravermelho próximo (NIR), que também dispara o fotocátodo do canhão de elétrons, resultando em sincronização interna entre elétrons e campos de aceleração. Pulsos ultravioleta para fotoemissão no fotocátodo são gerados através de dois estágios sucessivos GVG* comprimento de onda fundamental da luz infravermelha próxima. Este processo converte um pulso de laser de 1020 nm primeiro em 510 nm e depois em 255 nm.
GVG* (geração óptica de segundo harmônico) é o processo de combinação de fótons de mesma frequência durante a interação com um material não linear, o que leva à formação de novos fótons com o dobro de energia e frequência, além de metade do comprimento de onda.
O restante do feixe de laser NIR é dividido em 4 feixes, que são usados para gerar quatro pulsos terahertz de ciclo único, gerando diferenças de frequência intra-pulso.
Os dois pulsos de terahertz são então entregues a cada dispositivo STEAM através de estruturas de chifre simétricas que direcionam a energia terahertz para a região de interação através da direção de propagação do elétron.
Quando os elétrons entram em cada dispositivo STEAM, eles são expostos a componentes elétricos e magnéticos Forças de Lorentz*.
Força de Lorentz* - a força com que o campo eletromagnético atua sobre uma partícula carregada.
Neste caso, o campo elétrico é responsável pela aceleração e desaceleração, e o campo magnético provoca deflexões laterais.
Imagem nº 2
Como vemos nas imagens 2a и 2b, Dentro de cada dispositivo STEAM, os feixes de terahertz são divididos transversalmente por finas folhas de metal em várias camadas de espessuras variadas, cada uma das quais atua como um guia de ondas, transferindo parte da energia total para a região de interação. Existem também placas dielétricas em cada camada para coordenar o tempo de chegada do terahertz. frente de onda* com a frente dos elétrons.
Frente de onda* - a superfície que a onda atingiu.
Ambos os dispositivos STEAM operam em modo elétrico, ou seja, de forma a impor um campo elétrico e suprimir um campo magnético no centro da área de interação.
No primeiro dispositivo, os elétrons são cronometrados para passar cruzamento zero* campo terahertz, onde os gradientes de tempo do campo elétrico são maximizados e o campo médio é minimizado.
Passagem zero* - um ponto onde não há tensão.
Esta configuração faz com que a cauda do feixe de elétrons acelere e sua cabeça desacelere, resultando em focagem longitudinal balística (2a и 2c).
No segundo dispositivo, a sincronização da radiação de elétrons e terahertz é definida de forma que o feixe de elétrons experimente apenas um ciclo negativo do campo elétrico terahertz. Esta configuração resulta em uma aceleração líquida contínua (2b и 2d).
O laser NIR é um sistema Yb:YLF resfriado criogenicamente que produz pulsos ópticos de 1.2 ps de duração e 50 mJ de energia em um comprimento de onda de 1020 nm e uma taxa de repetição de 10 Hz. E pulsos de terahertz com frequência central de 0.29 terahertz (período de 3.44 ps) são gerados pelo método de frente de pulso inclinada.
Para alimentar o STEAM-buncher (compressor de feixe) foram utilizados apenas 2 x 50 nJ de energia terahertz, e o STEAM-linac (acelerador linear) exigiu 2 x 15 mJ.
O diâmetro dos orifícios de entrada e saída de ambos os dispositivos STEAM é de 120 mícrons.
O compressor de feixe é projetado com três camadas de igual altura (0 mm), que são equipadas com placas de sílica fundida (ϵr = 225) de comprimento 4.41 e 0.42 mm para controlar o tempo. As alturas iguais das camadas do compressor refletem o fato de que não há aceleração (2c).
Mas no acelerador linear as alturas já são diferentes - 0.225, 0.225 e 0.250 mm (+ placas de quartzo fundido 0.42 e 0.84 mm). Um aumento na altura da camada explica o aumento na velocidade dos elétrons durante a aceleração.
Os cientistas observam que o número de camadas é diretamente responsável pela funcionalidade de cada um dos dois dispositivos. Alcançar taxas de aceleração mais altas, por exemplo, exigiria mais camadas e diferentes configurações de altura para otimizar a interação.
Resultados de experimentos práticos
Primeiro, os pesquisadores lembram que nos aceleradores de radiofrequência tradicionais, o efeito da extensão temporal do feixe de elétrons incorporado nas propriedades do feixe acelerado é devido à mudança no campo elétrico experimentado durante a interação de diferentes elétrons dentro do feixe que chega. em momentos diferentes. Assim, pode-se esperar que campos com gradientes mais elevados e feixes com durações mais longas levem a uma maior dispersão de energia. Feixes injetados de longa duração também podem levar a valores mais elevados emissões*.
Emitância* — espaço de fase ocupado por um feixe acelerado de partículas carregadas.
No caso de um acelerador terahertz, o período do campo de excitação é aproximadamente 200 vezes menor. Por isso, tensão* o campo suportado será 10 vezes maior.
Intensidade do campo elétrico* - um indicador do campo elétrico, igual à razão entre a força aplicada a uma carga pontual estacionária colocada em um determinado 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 grandeza maiores do que em um dispositivo convencional. A escala de tempo na qual a curvatura do campo é perceptível será significativamente menor. Conclui-se que a duração do feixe de elétrons introduzido terá um efeito mais pronunciado.
Os cientistas decidiram testar essas teorias na prática. Para isso, introduziram feixes de elétrons de diferentes durações, que foram controlados por compressão utilizando o primeiro dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Imagem nº 3
No caso em que o compressor não estava conectado a uma fonte de energia, feixes de elétrons (55 keV) com carga de ∼1 fC (femtocoulomb) passaram aproximadamente 300 mm do canhão de elétrons para o dispositivo acelerador linear (STEAM-linac). Esses elétrons poderiam se expandir sob a influência de forças de carga espacial até uma duração de mais de 1000 fs (femtossegundos).
Nesta duração, o feixe de elétrons ocupou cerca de 60% do meio comprimento de onda do campo de aceleração a uma frequência de 1,7 ps, resultando em um espectro de energia pós-aceleração com pico em 115 keV e meia largura da distribuição de energia superior a 60 keV (3a).
Para comparar esses resultados com os esperados, simulou-se a situação de propagação de elétrons através de um acelerador linear quando os elétrons estavam fora de sincronia (ou seja, fora de sincronia) com o tempo ideal de injeção. Os cálculos desta situação mostraram que o aumento da energia do elétron é muito dependente do momento da injeção, até uma escala de tempo subpicossegundo (3b). Ou seja, com uma configuração ideal, o elétron experimentará um meio ciclo completo de aceleração da radiação terahertz em cada camada (3c).
Se os elétrons chegam em momentos diferentes, eles experimentam menos aceleração na primeira camada, o que faz com que demorem mais para viajar através dela. A dessincronização então aumenta nas camadas seguintes, causando lentidão indesejada (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 linac foi otimizada para um mínimo de ~350 fs (meia largura) ajustando a energia terahertz fornecida ao compressor e alternando o linac para o modo hachura (4b).
Imagem nº 4
A duração mínima do feixe foi definida de acordo com a duração do pulso UV do fotocátodo, que foi de ~600 fs. A distância entre o compressor e a tira também desempenhou um papel importante, o que limitou a velocidade da força de espessamento. Juntas, essas medidas permitem a precisão do femtossegundo na fase de injeção da fase de aceleração.
na imagem 4a pode-se observar que a propagação de energia do feixe de elétrons comprimido após aceleração otimizada em um acelerador linear diminui ~ 4 vezes em comparação com o não comprimido. Devido à aceleração, o espectro de energia do feixe comprimido é deslocado para energias mais altas, em contraste com o feixe não comprimido. O pico do espectro de energia após a aceleração é de cerca de 115 keV, e a cauda de alta energia atinge cerca de 125 keV.
Esses números, segundo modesto depoimento dos cientistas, representam um novo recorde de aceleração (antes da aceleração era de 70 keV) na faixa dos terahertz.
Mas para reduzir a dispersão de energia (4a), um feixe ainda mais curto deve ser alcançado.
Imagem nº 5
No caso de um feixe introduzido não comprimido, a dependência parabólica do tamanho do feixe com a corrente revela a emitância 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 emitância transversal em 6 vezes para εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) e εy,n = 0,246 mm*mrad (vertical).
É importante notar que o grau de redução da emitância é aproximadamente duas vezes maior que o grau de redução da duração do feixe, o que é uma medida da não linearidade da dinâmica de interação com o tempo quando os elétrons experimentam forte focagem e desfocagem do campo magnético durante a aceleração (5b и 5c).
na imagem 5b Pode-se observar que os elétrons introduzidos no tempo ideal experimentam todo o semiciclo de aceleração do campo elétrico. Mas os elétrons que chegam antes ou depois do tempo ideal experimentam menos aceleração e até desaceleração parcial. Esses elétrons acabam com menos energia, grosso modo.
Uma situação semelhante é observada quando exposto a um campo magnético. Os elétrons injetados no momento ideal experimentam quantidades simétricas de campos magnéticos positivos e negativos. Se a introdução de elétrons ocorresse antes do momento ideal, então haveria mais campos positivos e menos negativos. Se os elétrons forem introduzidos depois do tempo ideal, haverá menos positivos e mais negativos (5c). E tais desvios fazem com que o elétron possa se desviar para a esquerda, para a direita, para cima ou para baixo, dependendo de sua posição em relação ao eixo, o que leva a um aumento do momento transversal correspondente à focagem ou desfocagem do feixe.
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em и para ele.
Epílogo
Em resumo, o desempenho do acelerador aumentará se a duração do feixe de elétrons for reduzida. Neste trabalho, a duração da viga alcançável foi limitada pela geometria da instalação. Mas, em teoria, a duração do feixe pode atingir menos de 100 fs.
Os cientistas também observam que a qualidade do feixe pode ser melhorada reduzindo a altura das camadas e aumentando o seu número. No entanto, este método não está isento de problemas, aumentando em particular a complexidade de fabrico do dispositivo.
Este trabalho é a etapa inicial de um estudo mais extenso e detalhado de uma versão miniatura de um acelerador linear. Apesar de a versão testada já apresentar excelentes resultados, que podem ser justamente chamados de recordes, ainda há muito trabalho a fazer.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com