Principiul familiar „mai mult este mai puternic” a fost stabilit de mult timp în multe sectoare ale societății, inclusiv știință și tehnologie. Cu toate acestea, în realitățile moderne, implementarea practică a dictonului „mic, dar puternic” devine din ce în ce mai comună. Acest lucru se manifestă atât în computere, care anterior ocupau o încăpere întreagă, dar acum încap în palma unui copil, cât și în acceleratoarele de particule încărcate. Da, vă amintiți de Large Hadron Collider (LHC), ale cărui dimensiuni impresionante (26 m lungime) sunt literalmente indicate în numele său? Deci, acesta este deja un lucru din trecut, conform oamenilor de știință de la DESY, care au dezvoltat o versiune în miniatură a acceleratorului, care nu este inferioară ca performanță față de predecesorul său de dimensiune completă. Mai mult, mini-acceleratorul a stabilit chiar și un nou record mondial între acceleratoarele de teraherți, dublând energia electronilor încorporați. Cum a fost dezvoltat acceleratorul miniatural, care sunt principiile de bază ale funcționării lui și ce au arătat experimentele practice? Raportul grupului de cercetare ne va ajuta să aflăm despre acest lucru. Merge.
Baza cercetării
Potrivit Dongfang Zhang și colegii săi de la DESY (German Electron Synchrotron), care au dezvoltat mini-acceleratorul, sursele de electroni ultrarapide joacă un rol incredibil de important în viața societății moderne. Multe dintre ele apar în medicină, dezvoltarea electronică și cercetarea științifică. Cea mai mare problemă a acceleratoarelor liniare actuale care utilizează oscilatoare de radiofrecvență este costul lor ridicat, infrastructura complexă și consumul de energie impresionant. Și astfel de neajunsuri limitează foarte mult disponibilitatea unor astfel de tehnologii pentru o gamă mai largă de utilizatori.
Aceste probleme evidente sunt un mare stimulent pentru a dezvolta dispozitive a căror dimensiune și consum de energie nu vor provoca groază.
Printre noutățile relative din această industrie se numără acceleratoarele de teraherți, care au o serie de „beneficii”:
- Este de așteptat ca undele scurte și impulsurile scurte de radiație terahertz să crească semnificativ pragul dărâma*, cauzată de câmp, care va crește gradienții de accelerație;
Defecțiune electrică* - o creștere bruscă a intensității curentului atunci când se aplică o tensiune peste valoarea critică.
- prezența unor metode eficiente de generare a radiației terahertzi cu câmp înalt permite sincronizarea internă între electroni și câmpurile de excitație;
- Pentru a crea astfel de dispozitive pot fi folosite metode clasice, dar costul, timpul de producție și dimensiunea acestora vor fi mult reduse.
Oamenii de știință cred că acceleratorul lor de teraherți la scară milimetrică este un compromis între acceleratoarele convenționale care sunt disponibile în prezent și microacceleratoarele care sunt în curs de dezvoltare, dar au multe dezavantaje datorită dimensiunilor lor foarte mici.
Cercetătorii nu neagă că tehnologia de accelerare a teraherți este în dezvoltare de ceva timp. Cu toate acestea, în opinia lor, există încă multe aspecte în acest domeniu care nu au fost studiate, testate sau implementate.
În munca lor, pe care o analizăm astăzi, oamenii de știință demonstrează capacitățile STEAM (accelerator și manipulator de electroni teraherți segmentați) - un accelerator și manipulator de electroni teraherți segmentați. STEAM permite ca lungimea fasciculului de electroni să fie redusă la o durată sub-picosecundă, oferind astfel controlul femtosecunde asupra fazei de accelerație.
A fost posibil să se realizeze un câmp de accelerație de 200 MV/m (MV - megavolt), ceea ce duce la o accelerație record în teraherți de > 70 keV (kiloelectronvolt) din fasciculul de electroni încorporat cu o energie de 55 keV. În acest fel, s-au obținut electroni accelerați de până la 125 keV.
Structura și implementarea dispozitivului
Imaginea nr. 1: diagrama aparatului studiat.
Imaginea nr. 1-2: a - diagrama structurii dezvoltate cu 5 straturi segmentate, b - raportul accelerației calculate și direcția de propagare a electronilor.
Fasciculele de electroni (55 keV) sunt generate din tun cu electroni* și sunt introduse în terahertz STEAM-buncher (compresorul fasciculului), după care trec în STEAM-linac (accelerator liniar*).
tun cu electroni* — un dispozitiv pentru generarea unui fascicul de electroni cu configurația și energia necesare.
Accelerator liniar* - un accelerator în care particulele încărcate trec prin structură o singură dată, ceea ce distinge un accelerator liniar de unul ciclic (de exemplu, LHC).
Ambele dispozitive STEAM primesc impulsuri de terahertzi de la un singur laser în infraroșu apropiat (NIR), care declanșează și fotocatodul pistolului cu electroni, rezultând sincronizarea internă între electroni și câmpurile de accelerare. Impulsurile ultraviolete pentru fotoemisie la fotocatod sunt generate prin două etape succesive GVG* lungimea de undă fundamentală a luminii infraroșii apropiate. Acest proces transformă un impuls laser de 1020 nm mai întâi la 510 nm și apoi la 255 nm.
GVG* (generarea optică a armonicii secunde) este procesul de combinare a fotonilor de aceeași frecvență în timpul interacțiunii cu un material neliniar, ceea ce duce la formarea de noi fotoni cu energie și frecvență dublă, precum și cu jumătate din lungimea de undă.
Restul fasciculului laser NIR este împărțit în 4 fascicule, care sunt utilizate pentru a genera patru impulsuri terahertz cu un singur ciclu prin generarea diferențelor de frecvență intra-puls.
Cele două impulsuri terahertzi sunt apoi livrate fiecărui dispozitiv STEAM prin structuri de corn simetrice care direcționează energia terahertz în regiunea de interacțiune pe direcția de propagare a electronilor.
Când electronii intră în fiecare dispozitiv STEAM, ei sunt expuși la componente electrice și magnetice Forțele Lorentz*.
forta Lorentz* - forta cu care actioneaza campul electromagnetic asupra unei particule incarcate.
În acest caz, câmpul electric este responsabil pentru accelerare și decelerare, iar câmpul magnetic provoacă deviații laterale.
Imaginea #2
După cum vedem în imagini 2a и 2b, În interiorul fiecărui dispozitiv STEAM, fasciculele de teraherți sunt împărțite transversal de foi de metal subțiri în mai multe straturi de grosimi variabile, fiecare dintre acestea acționând ca un ghid de undă, transferând o parte din energia totală în regiunea de interacțiune. Există, de asemenea, plăci dielectrice în fiecare strat pentru a coordona timpul de sosire a terahertzului front de val* cu frontul de electroni.
front de undă* - suprafata pe care a ajuns valul.
Ambele dispozitive STEAM funcționează în regim electric, adică în așa fel încât să aplice un câmp electric și să suprime un câmp magnetic în centrul zonei de interacțiune.
În primul dispozitiv, electronii sunt cronometrați să treacă prin trecere cu zero* câmp de teraherți, unde gradienții de timp ai câmpului electric sunt maximizați și câmpul mediu este minimizat.
trecere la zero* - un punct în care nu există tensiune.
Această configurație face ca coada fasciculului de electroni să accelereze și capul său să decelereze, rezultând o focalizare longitudinală balistică (2a и 2s).
În cel de-al doilea dispozitiv, sincronizarea electronului și radiația terahertz este setată astfel încât fasciculul de electroni experimentează doar un ciclu negativ al câmpului electric terahertz. Această configurație are ca rezultat o accelerație netă continuă (2b и 2d).
Laserul NIR este un sistem Yb:YLF răcit criogenic care produce impulsuri optice cu o durată de 1.2 ps și energie de 50 mJ la o lungime de undă de 1020 nm și o rată de repetiție de 10 Hz. Iar impulsurile de teraherți cu o frecvență centrală de 0.29 teraherți (perioada de 3.44 ps) sunt generate prin metoda frontului de impuls înclinat.
Pentru alimentarea STEAM-buncher (compresorul fasciculului) au fost folosite doar 2 x 50 nJ de energie terahertz, iar STEAM-linac (acceleratorul liniar) a necesitat 2 x 15 mJ.
Diametrul orificiilor de intrare și de evacuare ale ambelor dispozitive STEAM este de 120 de microni.
Compresorul cu fascicul este proiectat cu trei straturi de înălțime egală (0 mm), care sunt echipate cu plăci de silice topită (ϵr = 225) cu lungimea de 4.41 și 0.42 mm pentru a controla sincronizarea. Înălțimile egale ale straturilor compresorului reflectă faptul că nu există accelerație (2s).
Dar în acceleratorul liniar înălțimile sunt deja diferite - 0.225, 0.225 și 0.250 mm (+ plăci de cuarț topite 0.42 și 0.84 mm). Creșterea înălțimii stratului explică creșterea vitezei electronilor în timpul accelerației.
Oamenii de știință notează că numărul de straturi este direct responsabil pentru funcționalitatea fiecăruia dintre cele două dispozitive. Obținerea unor rate mai mari de accelerație, de exemplu, ar necesita mai multe straturi și diferite configurații de înălțime pentru a optimiza interacțiunea.
Rezultatele experimentelor practice
În primul rând, cercetătorii reamintesc că în acceleratoarele tradiționale de radiofrecvență, efectul extinderii temporale a fasciculului de electroni încorporat asupra proprietăților fasciculului accelerat se datorează modificării câmpului electric experimentat în timpul interacțiunii diferiților electroni în cadrul fasciculului care sosesc. in momente diferite. Astfel, se poate aștepta ca câmpurile cu gradienți mai mari și fasciculele cu durate mai lungi să conducă la o răspândire mai mare a energiei. Fasciculele injectate de lungă durată pot duce și la valori mai mari emisii*.
emisie* — spațiul de fază ocupat de un fascicul accelerat de particule încărcate.
În cazul unui accelerator de teraherți, perioada câmpului de excitație este de aproximativ 200 de ori mai scurtă. Prin urmare, tensiune* câmpul suportat va fi de 10 ori mai mare.
Intensitatea câmpului electric* - un indicator al câmpului electric, egal cu raportul dintre forța aplicată unei sarcini punctuale staționare plasate într-un punct dat din câmp și mărimea acestei sarcini.
Astfel, într-un accelerator de teraherți, gradienții de câmp experimentați de electroni pot fi cu câteva ordine de mărime mai mari decât într-un dispozitiv convențional. Scala de timp pe care curbura câmpului este vizibilă va fi semnificativ mai mică. De aici rezultă că durata fasciculului de electroni introdus va avea un efect mai pronunțat.
Oamenii de știință au decis să testeze aceste teorii în practică. Pentru a face acest lucru, au introdus fascicule de electroni de diferite durate, care au fost controlate prin compresie folosind primul dispozitiv STEAM (STEAM-buncher).
Imaginea #3
În cazul în care compresorul nu a fost conectat la o sursă de alimentare, fasciculele de electroni (55 keV) cu o sarcină de ~1 fC (femtocoulomb) au trecut aproximativ 300 mm de la tunul de electroni la dispozitivul de accelerare liniară (STEAM-linac). Acești electroni s-ar putea extinde sub influența forțelor de încărcare spațială până la o durată de peste 1000 fs (femtosecunde).
La această durată, fasciculul de electroni a ocupat aproximativ 60% din jumătatea lungimii de undă a câmpului de accelerare la o frecvență de 1,7 ps, rezultând un spectru de energie post-accelerare cu un vârf la 115 keV și o jumătate de lățime a distribuției de energie. mai mare de 60 keV (3a).
Pentru a compara aceste rezultate cu cele așteptate, a fost simulată situația propagării electronilor printr-un accelerator liniar atunci când electronii nu erau sincronizați cu (adică, desincronizați cu) timpul optim de injecție. Calculele acestei situații au arătat că creșterea energiei electronilor este foarte dependentă de momentul injectării, până la o scară de timp subpicosecundă (3b). Adică, cu o setare optimă, electronul va experimenta o jumătate de ciclu complet de accelerare a radiației terahertzi în fiecare strat (3s).
Dacă electronii sosesc în momente diferite, ei experimentează o accelerație mai mică în primul strat, ceea ce îi face să dureze mai mult pentru a călători prin el. Desincronizarea crește apoi în următoarele straturi, provocând încetiniri nedorite (3d).
Pentru a minimiza efectul negativ al extinderii temporale a fasciculului de electroni, primul dispozitiv STEAM a funcționat în modul de compresie. Durata fasciculului de electroni la linac a fost optimizată la un minim de ~ 350 fs (jumătate de lățime) prin reglarea energiei teraherți furnizată compresorului și comutarea linacului în modul hatch (4b).
Imaginea #4
Durata minimă a fasciculului a fost setată în conformitate cu durata impulsului UV fotocatod, care a fost de ~600 fs. Un rol important a jucat și distanța dintre compresor și bandă, ceea ce a limitat viteza forței de îngroșare. Împreună, aceste măsuri permit precizia femtosecundă în faza de injecție a fazei de accelerare.
Pe imagine 4a se poate observa că răspândirea de energie a fasciculului de electroni comprimați după accelerația optimizată într-un accelerator liniar scade de ~ 4 ori față de cel necomprimat. Datorită accelerației, spectrul de energie al fasciculului comprimat este deplasat către energii mai mari, spre deosebire de fasciculul necomprimat. Vârful spectrului de energie după accelerare este de aproximativ 115 keV, iar coada de înaltă energie ajunge la aproximativ 125 keV.
Aceste cifre, conform declarației modeste a oamenilor de știință, reprezintă un nou record de accelerație (înainte de accelerare era de 70 keV) în intervalul teraherți.
Dar pentru a reduce dispersia energiei (4a), trebuie realizat un fascicul și mai scurt.
Imaginea #5
În cazul unui fascicul introdus necomprimat, dependența parabolică a mărimii fasciculului de curent relevă emitanța transversală în direcțiile orizontale și verticale: εx,n = 1.703 mm*mrad și εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
La rândul său, compresia a îmbunătățit emisanța transversală de 6 ori la εx,n = 0,285 mm*mrad (orizontal) și εy,n = 0,246 mm*mrad (vertical).
Este de remarcat faptul că gradul de reducere a emisinței este de aproximativ două ori mai mare decât gradul de reducere a duratei fasciculului, care este o măsură a neliniarității dinamicii interacțiunii cu timpul în care electronii experimentează o focalizare puternică și defocalizare a câmpului magnetic în timpul accelerației (5b и 5s).
Pe imagine 5b Se poate observa că electronii introduși la momentul optim experimentează întregul semiciclu al accelerației câmpului electric. Dar electronii care sosesc înainte sau după momentul optim experimentează mai puțină accelerație și chiar decelerare parțială. Astfel de electroni ajung să primească mai puțină energie, aproximativ vorbind.
O situație similară se observă atunci când este expus la un câmp magnetic. Electronii injectați la momentul optim experimentează cantități simetrice de câmpuri magnetice pozitive și negative. Dacă introducerea electronilor a avut loc înainte de momentul optim, atunci au fost mai multe câmpuri pozitive și mai puține negative. Dacă electronii sunt introduși mai târziu decât timpul optim, vor fi mai puțini pozitivi și mai mulți negativi (5s). Și astfel de abateri duc la faptul că electronul se poate abate la stânga, la dreapta, în sus sau în jos, în funcție de poziția sa față de axă, ceea ce duce la o creștere a impulsului transversal corespunzător focalizării sau defocalizării fasciculului.
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la и către el.
Epilog
Pe scurt, performanța acceleratorului va crește dacă durata fasciculului de electroni este redusă. În această lucrare, durata posibilă a fasciculului a fost limitată de geometria instalației. Dar, în teorie, durata fasciculului poate ajunge la mai puțin de 100 fs.
Oamenii de știință notează, de asemenea, că calitatea fasciculului poate fi îmbunătățită în continuare prin reducerea înălțimii straturilor și creșterea numărului acestora. Cu toate acestea, această metodă nu este lipsită de probleme, în special crescând complexitatea fabricării dispozitivului.
Această lucrare este etapa inițială a unui studiu mai amplu și mai detaliat al unei versiuni în miniatură a unui accelerator liniar. În ciuda faptului că versiunea testată dă deja rezultate excelente, ceea ce poate fi numit pe bună dreptate recorduri, mai este mult de lucru.
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și o săptămână minunată băieți! 🙂
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, Reducere de 30% pentru utilizatorii Habr la un analog unic de servere entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com