Principiul cunoscut „mai mult înseamnă mai puternic” s-a stabilit de mult timp în multe domenii ale vieții sociale, inclusiv în știință și tehnologie. Cu toate acestea, în realitățile moderne, tot mai des întâlnim implementarea practică a zicalei „mic, dar puternic”. Aceasta se manifestă atât în computere, care anterior ocupau o întreagă cameră, dar acum încape în palma unui copil, cât și în acceleratoarele de particule. Da, da, vă amintiți de marele accelerator de particule (LHC), dimensiunile sale impresionante (26.659 m lungime) fiind literalmente specificate în numele său? Așadar, acest lucru face parte din trecut, conform cercetătorilor de la DESY, care au dezvoltat o versiune miniaturală a acceleratorului, care nu cedă în fața predecesorului său de dimensiuni normale. Mai mult decât atât, acceleratorul mini a stabilit chiar un nou record mondial în rândul acceleratorilor teraherc, dublând energia electronilor injectați. Cum a fost dezvoltat acceleratorul miniatural, care sunt principiile sale de funcționare și ce au arătat experimentele practice? Aceste întrebări ne va ajuta să le descoperim raportul grupului de cercetare. Să începem.
Baza cercetării
Conform lui Dongfang Zhang și colegilor săi de la DESY (German Electron Synchrotron), care au dezvoltat acceleratorul mini, sursele ultrarapide de electroni joacă un rol incredibil de important în viața societății moderne. Multe dintre acestea se manifestă în medicină, dezvoltarea electronicii și în cercetări științifice. Cea mai mare problemă a acceleratorilor liniari actuali, care folosesc generatoare de radiofrecvență, este costul lor ridicat, complexitatea infrastructurii și cerințele mari în ceea ce privește energia consumată. Aceste dezavantaje limitează semnificativ accesibilitatea acestor tehnologii pentru un public mai larg.
Aceste probleme evidente reprezintă un stimul excelent pentru dezvoltarea dispozitivelor a căror dimensiuni nu vor provoca groază, la fel cum nu va face nici consumul de energie.
Printre noutățile relative din acest domeniu se numără acceleratorii teraherc, care au o serie de „avantaje”:
- se așteaptă ca undele scurte și impulsurile scurte de radiație teraherc să permită creșterea semnificativă a pragului de defect*, cauzat de câmp, ceea ce va permite creșterea gradientelor de accelerare;
Defect electric* — o creștere bruscă a curentului electric la aplicarea unei tensiuni mai mari decât cea critică.
- disponibilitatea unor metode eficiente de generare a radiației terahertz cu câmpuri înalte permite sincronizarea internă între electroni și câmpurile de excitație;
- pentru crearea acestor dispozitive pot fi utilizate metode clasice, dar costul, timpul de producție și dimensiunile vor fi semnificativ reduse.
Cercetătorii consideră că acceleratorul lor terahertz la scară milimetrică este un compromis între acceleratoarele obișnuite, care sunt disponibile în prezent, și micro-acceleratoarele, care sunt în dezvoltare, dar au multe deficiențe din cauza dimensiunilor lor extrem de reduse.
Cercetătorii nu contestă faptul că tehnologia accelerării terahertz este în dezvoltare de ceva vreme. Cu toate acestea, în opinia lor, în acest domeniu există în continuare o mulțime de aspecte care nu au fost studiate, verificate sau implementate.
În lucrarea sa, pe care o discutăm astăzi, oamenii de știință demonstrează capabilitățile STEAM (accelerator și manipulator de electroni terahertz segmentat) — un accelerator și manipulator de electroni terahertz segmentat. STEAM permite reducerea lungimii fasciculului de electroni la o durată sub-picoscuri, asigurând astfel un control femtosecund asupra fazei de accelerare.
S-a reușit obținerea unui câmp de accelerare de 200 MV/m (MV — megavolt), ceea ce duce la un accelerator terahertz record de > 70 keV (kiloelectronvolți) de la fasciculul de electroni implantat cu energie de 55 keV. Astfel s-au obținut electroni accelerați până la 125 keV.
Structura dispozitivului și implementarea acestuia
Imaginea №1: schema dispozitivului studiat.
Imaginea №1-2: a — schema structurii segmentate cu 5 straturi dezvoltată, b — raportul dintre accelerarea calculată și direcția de propagare a electronilor.
Fasciculele de electroni (55 keV) sunt generate din pușca electronică* și sunt injectate în STEAM-buncher terahertz (compresor de fascicul), trecând apoi în STEAM-linac (accelerator liniar*).
Pușca electronică* — un dispozitiv de generare a fasciculului de electroni cu configurația și energia necesare.
Acceleratorul liniar* — un accelerator în care particulele încărcate traversează structura doar o singură dată, ceea ce distinge acceleratorul liniar de cel ciclic (de exemplu, LHC).
Ambele dispozitive STEAM primesc impulsuri terahertz de la un singur laser cu lumină infra-roșie apropiată (NIR), care de asemenea activează fotocatalizatorul unui tun de electroni, ceea ce conduce la sincronizarea internă între electroni și câmpurile de accelerare. Impulsurile ultraviolete pentru fotoemisie pe fotocatalizator sunt generate prin două etape consecutive. GVG* lungimii de undă principale a luminii infraroșii apropiate. Acest proces transformă impulsul laserului cu o lungime de undă de 1020 nm mai întâi în 510 nm, apoi în 255 nm.
GVG* (generarea celei de-a doua armonici optice) - procesul de combinare a fotonilor cu aceeași frecvență în timpul interacțiunii cu un material non-linear, ceea ce duce la formarea de noi fotoni cu dublă energie și frecvență, precum și cu o lungime de undă de două ori mai mică.
Partea rămasă a fasciculului laser NIR este împărțită în 4 fascicule, care sunt utilizate pentru a genera patru impulsuri terahertz monociclare prin generarea de diferențe între frecvențele impulsurilor.
Două impulsuri terahertz sunt apoi trimise în fiecare dispozitiv STEAM prin structuri simetrice de horn, care direcționează energia terahertz în zona de interacțiune perpendicular pe direcția de propagare a electronilor.
Când electronii intră în fiecare dintre dispozitivele STEAM, ei sunt expuși componentelor electrice și magnetice. forța Lorentz*.
Forța Lorentz* - forța cu care câmpul electromagnetic acționează asupra unei particule încărcate.
În acest caz, câmpul electric este responsabil pentru accelerare și decelerare, iar câmpul magnetic provoacă deviații transversale.
Imaginea nr. 2
Așa cum vedem în imagini, 2a și 2b, în interiorul fiecărui dispozitiv STEAM, fasciculele terahertz sunt separate prin foi metalice subțiri în mai multe straturi de diferite grosimi, fiecare dintre ele acționând ca un ghid de undă, transportând o parte din energia totală în zona de interacțiune. De asemenea, în fiecare strat sunt prezente plăci dielectrice pentru a sincroniza timpul de sosire al frontului terahertz frontul de undă* cu frontul electronilor.
Frontul de undă* - suprafața până la care a ajuns unda.
Ambele dispozitive STEAM funcționează în mod electric, adică astfel încât să producă o suprapunere a câmpului electric și o suprimare a câmpului magnetic în centrul zonei de interacțiune.
În primul dispozitiv, electronii sunt calculați în funcție de timp astfel încât să treacă prin intersecția zero* câmpului terahertz, unde gradientele temporale ale câmpului electric sunt maximizate, iar câmpul mediu este minimizat.
Intersecția zero* — punctul în care nu există tensiune.
Această configurație provoacă accelerarea cozii fasciculului de electroni și încetinirea capului său, ceea ce duce la focalizarea longitudinală balistică (2a și 2s).
În al doilea dispozitiv, sincronizarea electronului și a radiației terahertz este stabilită astfel încât fasciculul de electroni să experimenteze doar ciclul negativ al câmpului electric terahertz. Această configurație duce la o accelerare continuă pură (2b și 2d).
Laserul cu radiație NIR este similar cu sistemul Yb:YLF răcit criogenic, care emite impulsuri optice cu o durată de 1.2 ps și o energie de 50 mJ la o lungime de undă de 1020 nm și o frecvență de repetare de 10 Hz. Impulsi terahertz cu frecvența centrală de 0.29 terahertz (perioada de 3.44 ps) sunt generați prin metoda impulsului cu front înclinat.
Pentru alimentarea buncărului STEAM (compresorul de fascicul) au fost utilizate doar 2 x 50 nJ de energie terahertz, iar pentru STEAM-linac (accelerator liniar) au fost necesare 2 x 15 mJ.
Diametrul orificiilor de intrare și ieșire ale ambelor dispozitive STEAM este de 120 μm.
Compresorul de fascicul este proiectat cu trei straturi de înălțime egală (0. 225 mm), echipate cu plăci din cuarț fuzionat (ϵr =4.41) de lungimi de 0.42 și 0.84 mm pentru controlul sincronizării temporale. Înălțimile egale ale straturilor compresorului reflectă faptul că nu are loc accelerarea (2s).
În schimb, în acceleratorul liniar, înălțimile diferă — 0.225, 0.225 și 0.250 mm (+ plăci din cuarț fuzionat de 0.42 și 0.84 mm). Creșterea înălțimii stratului explică creșterea vitezei electronilor în timpul accelerării.
Oamenii de știință subliniază că numărul de straturi corespunde direct funcționalității fiecărui dintre cele două dispozitive. Pentru a atinge un grad mai înalt de accelerare, de exemplu, va fi nevoie de mai multe straturi și o altă configurație a înălțimilor pentru optimizarea interacțiunii.
Rezultatele experimentelor practice
În primul rând, cercetătorii reamintesc că, în acceleratoarele tradiționale bazate pe radiofrecvență, influența duratei temporale a fasciculului de electroni introdus asupra proprietăților fasciculului accelerat este legată de modificarea câmpului electric, experimentat în timpul interacțiunii de diferiți electroni din fascicul, care ajung în momente diferite. Astfel, se poate presupune că câmpurile cu un gradient mai mare și fasciculele cu o durată mai mare vor conduce la o dispersie mai mare a energiilor. Fasciculele introduse cu o durată mare pot duce, de asemenea, la valori mai înalte. emitanțe*.
Emitanță* — spațiul fazic pe care îl ocupă un fascicul accelerat de particule încărcate.
În cazul acceleratorului terahertz, perioada câmpului de excitație este de aproximativ 200 de ori mai scurtă. Prin urmare, intensitatea* câmpului menținut va fi de 10 ori mai mare.
Intensitatea câmpului electric* — indicator al câmpului electric, egal cu raportul dintre forța aplicată asupra unei sarcini punctuale staționare, plasate într-un anumit punct al câmpului, și mărimea acestei sarcini.
Astfel, în acceleratorul terahertz, gradienții câmpului resimțiți de electroni pot fi cu câteva ordini de magnitudine mai mari decât în dispozitivele obișnuite. Timpul în care curburile câmpului sunt vizibile va fi semnificativ mai mic. Deci, durata fasciculului de electroni introdus va avea o influență mai pronunțată.
Oamenii de știință au decis să testeze practic datele teoriei. Pentru aceasta, au introdus fascicule de electroni de diferite durate, care erau controlate prin comprimare folosind primul dispozitiv STEAM (STEAM-buncher).
Imaginea nr. 3
În cazul în care compresorul nu era conectat la sursa de alimentare, fasciculele de electroni (55 keV) cu o sarcină de ∼1 fC (femtocoulomb) au parcurs aproximativ 300 mm de la pușca electronică la dispozitivul accelerator linie (STEAM-linac). Acești electroni s-au putut extinde sub influența forțelor de sarcină de spațiu până la o durată de mai mult de 1000 fs (femtosecunde).
Pentru o astfel de durată, fasciculul de electroni ocupa aproximativ 60% din semiperioada câmpului de accelerare cu o frecvență de 1,7 ps, conducând la un spectru energetic după accelerare cu un vârf de 115 keV și o lățime de jumătate de distribuție a energiei de peste 60 keV (3a).
Pentru a compara aceste rezultate cu cele așteptate, a fost modelată o situație de propagare a electronilor printr-un accelerator liniar, când electronii erau desincronizați (adică, nu se potriveau) în raport cu timpul optim de introducere. Calculul unei astfel de situații a arătat că creșterea energiei electronilor depinde foarte mult de momentul introducerii, până la dimensiuni temporale sub-picosecunde (3b). Deci, într-o configurare optimă, electronul va experimenta întreaga semiperioadă de accelerare a radiației terahertz în fiecare strat (3s).
Dacă electronii sosesc la momente diferite, aceștia experimentează o accelerare mai mică în primul strat, ceea ce le necesită mai mult timp pentru a-l traversa. Apoi, desincronizarea se intensifică în straturile următoare, ceea ce duce la o încetinire nedorită (3d).
Pentru a minimiza efectul negativ al duratei temporale a pachetului de electroni, primul dispozitiv STEAM a operat în modul de comprimare. Durata pachetului de electroni pe acceleratorul liniar a fost optimizată la un minimum de ~ 350 fs (lățimea jumătății) prin ajustează energia terahertz, care este aplicată pe compresor și comutând acceleratorul liniar în modul de scanare (4b).
Imaginea nr. 4
Durata minimă a pachetului a fost stabilită în conformitate cu durata impulsului UV al fotocatodului, care era de ~ 600 fs. De asemenea, distanța dintre compresor și benzi a jucat un rol important, limitând forța de comprimare în funcție de viteză. Împreună, aceste măsuri permit obținerea unei precizii de femtosecunde în faza de introducere în timpul accelerării.
În imaginea 4a Se observă că dispersia energiei pachetului de electroni comprimat după accelerarea optimizată în acceleratorul liniar se reduce de ~ 4 ori comparativ cu cel necomprimat. Datorită accelerării, spectrul energetic al pachetului comprimat se deplasează spre energii mai ridicate, spre deosebire de pachetul necomprimat. Vârful spectrului energetic după accelerare este de aproximativ 115 keV, iar coada de energie înaltă ajunge la aproximativ 125 keV.
Aceste valori, conform declarațiilor modeste ale oamenilor de știință, reprezintă un nou record de accelerare (până la accelerare a fost de 70 keV) în intervalul terahertz.
Dar, pentru a reduce dispersia energiei (4a), este necesar să se atingă un pachet și mai scurt.
Imaginea Nr. 5
În cazul unui fascicul necomprimat, dependența parabolică a dimensiunii fasciculului de curent relevă emitanța transversală în direcțiile orizontală și verticală: εx,n = 1.703 mm*mr și εy,n = 1.491 mm*mr (5a).
Compresia, pe de altă parte, a îmbunătățit emitanța transversală de 6 ori, până la εx,n = 0.285 mm*mr (orizontal) și εy,n = 0.246 mm*mr (vertical).
Merită menționat că gradul de reducere a emitanței este de aproximativ două ori mai mare decât gradul de reducere a duratei fasciculului, ceea ce este o măsură a neliniarității dinamicii interacțiunii în timp, când electronii suferă o focalizare și defocalizare puternică a câmpului magnetic în timpul accelerației (5b și 5c).
În imaginea 5b se observă că electronii, introduși la momentul optim, experimentează întreaga semiperioadă a accelerației câmpului electric. În schimb, electronii care sosesc înainte sau după momentul optim experimentează o accelerație mai mică și chiar o încetinire parțială. Acești electroni obțin, în rezultat, mai puțină energie, grosso modo.
O situație similară este observată și în cazul influenței câmpului magnetic. Electronii introduși la momentul optim suferă o cantitate simetrică de câmpuri magnetice pozitive și negative. Dacă introducerea electronilor a avut loc mai devreme decât momentul optim, au fost mai multe câmpuri pozitive și mai puține negative. În cazul introducerii electronilor mai târziu decât momentul optim — mai puține câmpuri pozitive și mai multe negative (5c). Aceste deviații conduc la faptul că electronul poate devia la stânga, la dreapta, în sus sau în jos, în funcție de poziția sa față de axă, ceea ce duce la creșterea impulsului transversal, corespunzător focalizării sau defocalizării fasciculului.
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați și la acesta.
Epilog
Pentru a rezuma, performanța acceleratorului va crește în cazul reducerii duratei fasciculului de electroni. În această lucrare, durata realizabilă a fasciculului a fost limitată de geometria instalației. Dar, teoretic, durata fasciculului poate atinge și valori mai mici de 100 fs.
De asemenea, oamenii de știință remarcă faptul că calitatea fasciculului poate fi îmbunătățită ulterior prin reducerea înălțimii straturilor și creșterea numărului acestora. Totuși, această metodă nu este lipsită de probleme, în special creșterea complexității de producție a dispozitivului.
Această lucrare reprezintă etapa inițială a unei studii mai ample și detaliate asupra versiunii miniaturale a acceleratorului liniar. Deși versiunea testată deja arată rezultate excelente, care pot fi cu adevărat considerate recorduri, mai este încă mult de lucru.
Vă mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și o săptămână de lucru bună, băieți! 🙂
Vă mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne făcând o comandă sau recomandându-ne prietenilor. 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
