Prinzipom „viac znamená mocnejšie“, ktorý je nám známy, sa už dávno ustálil v mnohých oblastiach života spoločnosti, vrátane vedy a technológie. V súčasnosti sa však čoraz častejšie stretávame s praktickou realizáciou príslovia „malý, ale silný“. Toto sa prejavuje v počítačoch, ktoré kedysi zaberali celú miestnosť, a dnes sa zmestia do detskej dlane, ako aj v urýchlovačoch nabitých častíc. Áno, spomínate si na veľký hadrónový urýchlovač (LHC), ktorého impozantné rozmery (26 659 m na dĺžku) sú doslova uvedené v jeho názve? Podľa vedcov z DESY je to už minulosť, pretože vyvinuli mini verziu urýchlovača, ktorá svojim parametrom nezaostáva za svojím plnoformátovým predchodcom. Navyše, mini urýchlovač dokonca stanovil nový svetový rekord medzi terahertzovými urýchlovačmi, keď zdvojnásobil energiu vložených elektronov. Ako bol vyvinutý mini urýchlovač, aké sú jeho základné princípy fungovania a čo ukázali praktické experimenty? Na to nám pomôže odpovedať správa výskumnej skupiny. Poďme na to.
Základ výskumu
Podľa slov Dongfanga Zhanga a jeho kolegov z DESY (Nemecký elektronový synchrotrón), ktorí vyvinuli mini urýchlovač, hrajú ultra rýchle zdroje elektronov nesmierne dôležitú úlohu v živote súčasnej spoločnosti. Mnohé z nich nachádzajú uplatnenie v medicíne, vývoji elektroniky a vo vedeckých výskumoch. Najväčším problémom súčasných lineárnych urýchlovačov, ktoré používajú rádiové frekvenčné generátory, je ich vysoká cena, zložitá infraštruktúra a značná spotreba energie. Tieto nedostatky výrazne obmedzujú dostupnosť podobných technológií pre širší okruh používateľov.
Tieto očividné problémy sú vynikajúce podnety na vývoj zariadení, ktorých veľkosti nebudú vzbudzovať hrôzu, rovnako ako ich spotreba energie.
Medzi relatívne novinkami v tejto oblasti môžeme vyzdvihnúť terahertzové urýchlovače, ktoré majú niekoľko „výhod“:
- očakáva sa, že krátke vlny a krátke impulzy terahertzového žiarenia umožnia výrazne zvýšiť prah prerazenia*, spôsobeného poľom, čo umožní zvýšiť gradienty akcelerácie;
Elektrické prerazené* — náhly nárast prúdu pri aplikácii napätia nad kritickú hodnotu.
- prítomnosť efektívnych metód generovania vysokofrekvenčného terahertzového žiarenia umožňuje vykonávať vnútornú synchronizáciu medzi elektrónmi a poľami excitácie;
- na vytvorenie takýchto zariadení môžu byť použité klasické metódy, avšak ich náklady, čas výroby a rozmery sa značne zmenšia.
Vedci sa domnievajú, že ich terahertzový urýchľovač v milimetrových rozmeroch predstavuje kompromis medzi súčasnými bežnými urýchľovačmi a mikro-urýchľovačmi, ktoré sa vyvíjajú, ale majú množstvo nevýhod z dôvodu svojich veľmi malých rozmerov.
Výskumníci nepopierajú, že technológia terahertzového urýchlenia je už nejaký čas vo vývoji. Avšak podľa ich názoru existuje v tejto oblasti ešte množstvo aspektov, ktoré neboli preskúmané, overené alebo realizované.
Vo svojej práci, ktorú dnes preskúmavame, vedci demonštrujú možnosti STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — segmentovaného terahertzového elektronového urýchľovača a manipulátora. STEAM umožňuje znížiť dĺžku zväzku elektrónov na subpikosekundovú dĺžku, čím poskytuje femtosekundovú kontrolu nad fázou urýchlenia.
Podarilo sa dosiahnuť pole urýchlenia 200 MV/m (MV — megavolt), čo vedie k rekordnému terahertzovému urýchleniu nad 70 keV (kiloelectronvoltov) od zavedeného zväzku elektrónov s energiou 55 keV. Týmto boli získané urýchlené elektróny do 125 keV.
Štruktúra zariadenia a jeho realizácia
Obrázok č. 1: schéma skúmaného zariadenia.
Obrázok č. 1-2: a — schéma vyvinutej 5-vrstvovej segmentovanej štruktúry, b — pomer vypočítaného urýchlenia a smeru šírenia elektrónov.
Zväzky elektrónov (55 keV) sa generujú z elektrónovej pušky* a zavádzajú sa do terahertzového STEAM-bunchera (kompresor zväzku), po ktorom prechádzajú do STEAM-linacu (lineárny urýchľovač*).
Elektrónová puška* — zariadenie na generovanie zväzku elektrónov požadovanej konfigurácie a energie.
Lineárny urýchľovač* — urýchľovač, v ktorom nabité častice prechádzajú štruktúrou len raz, čo odlišuje lineárny urýchľovač od cyklického (napríklad LHC).
Obe zariadenia STEAM prijímajú terahertzové impulzy z jedného lasera blízkeho infračerveného svetla (NIR), ktorý tiež aktivuje fotokatódu elektronickej pušky, čo vedie k vnútornej synchronizácii medzi elektrónmi a urýchľovacími poľami. Ultrafialové impulzy pre fotoemisciu na fotokatóde sa generujú cez dve po sebe idúce fázy. GHV* základnej vlnovej dĺžky blízkeho infračerveného svetla. Tento proces premieňa laserový impulz s vlnovou dĺžkou 1020 nm najprv na 510 nm a následne na 255 nm.
GHV* (generácia druhej optickej harmoniky) — proces spájania fotónov s rovnakou frekvenciou počas interakcie s nelineárnym materiálom, čo vedie k vytvoreniu nových fotónov s dvojnásobnou energiou a frekvenciou, ako aj s dvojnásobne kratšou vlnovou dĺžkou.
Zvyšná časť lúča NIR-laseru sa rozdeľuje na 4 lúče, ktoré sa používajú na generovanie štyroch jednocyklových terahertzových impulzov prostredníctvom generovania rozdielových vnútorných impulzných frekvencií.
Dva terahertzové impulzy sa potom dostávajú do každého zariadenia STEAM cez symetrické rohové štruktúry, ktoré usmerňujú terahertzovú energiu do interakčnej oblasti naprieč smeru šírenia elektrónov.
Keď elektróny vstupujú do každého zariadenia STEAM, podrobujú sa vplyvu elektrických a magnetických zložiek Lorentzovej sily*.
Lorentzova sila* — sila, ktorou elektromagnetické pole pôsobí na nabitú časticu.
V tomto prípade elektrické pole zodpovedá za urýchlenie a spomalenie, zatiaľ čo magnetické pole spôsobuje priečne odchýlenia.
Obrázok č. 2
Ako vidíme na obrázkoch 2a a 2b, vnútri každého zariadenia STEAM sú terahertzové lúče rozdelené naprieč tenkými kovovými listami v niekoľkých vrstvách rôznej hrúbky, pričom každá z nich pôsobí ako waveguide, prenášajúca časť celkovej energie do interakčnej oblasti. Na každej vrstve sú tiež prítomné dielektrické dosky, aby sa zladil čas príchodu terahertzového vlnového frontu* s frontom elektrónov.
Vlnový front* — povrch, do ktorého sa vlna dostala.
Obe zariadenia STEAM fungujú v elektrickom režime, teda spôsobom, ktorý zabezpečuje prekrývanie elektrického poľa a potláčanie magnetického poľa v strede interakčnej oblasti.
V prvom zariadení sú elektróny naplánované tak, aby prechádzali cez priesečník nuly* terahertzového poľa, kde sú časové gradienty elektrického poľa maximalizované a priemerné pole minimalizované.
Priesečník nuly* — bod, kde nie je žiadne napätie.
Takáto konfigurácia spôsobuje urýchlenie chvosta elektrónového zväzku a spomalenie jeho hlavy, čo vedie k balistickému pozdĺžnemu zaostreniu (2a a 2s).
V druhom zariadení sa synchronizácia elektrónu a terahertzového žiarenia nastavuje tak, že elektrónový zväzok zažíva iba negatívny cyklus terahertzového elektrického poľa. Takáto konfigurácia vedie k čistému nepretržitému urýchleniu (2b a 2d).
Laser s NIR žiarením pripomína kryogenicky chladený Yb:YLF systém, ktorý produkuje optické impulzy s trvaním 1.2 ps a energiou 50 mJ pri vlnovej dĺžke 1020 nm a frekvencii opakovania 10 Hz. Terahertzové impulzy s centrálnou frekvenciou 0.29 terahertz (obdobie 3.44 ps) sa generujú metódou šikmého frontu impulzu.
Na napájanie STEAM-bunchera (kompresor zväzku) sa použilo iba 2 x 50 nJ terahertzovej energie, zatiaľ čo pre STEAM-linac (lineárny urýchľovač) bolo potrebné 2 x 15 mJ.
Priemer vstupných a výstupných otvorov oboch zariadení STEAM je 120 μm.
Kompresor zväzku je navrhnutý s tromi vrstvami rovnakej výšky (0.225 mm), ktoré sú vybavené platňami z taveného kremíka (ϵr =4.41) s dĺžkami 0.42 a 0.84 mm na kontrolu časovej synchronizácie. Rovnaké výšky vrstiev kompresora odrážajú skutočnosť, že urýchlenie sa nevyskytuje (2s).
V lineárnom urýchľovači však výšky už odlišujú — 0.225, 0.225 a 0.250 mm (+ platne z taveného kremíka 0.42 a 0.84 mm). Zväčšenie výšky vrstvy vysvetľuje zvýšenie rýchlosti elektrónov pri urýchlení.
Vedci poznamenávajú, že počet vrstiev priamo súvisí s funkciou každého z dvoch zariadení. Na dosiahnutie vyššej miery urýchlenia, napríklad, bude potrebné viac vrstiev a iná konfigurácia výšok na optimalizáciu interakcie.
Výsledky praktických experimentov
Predovšetkým vedci pripomínajú, že v tradičných akcelerátoroch na báze rádiových frekvencií je vplyv časovej dĺžky zavedeného elektrónového lúča na vlastnosti akcelerovaného lúča spojený so zmenou elektrického poľa, ktorému podliehajú rôzne elektróny vnútri lúča a prichádzajúce v rôznom čase. Preto môžeme predpokladať, že polia s väčším gradientom a lúče s dlhšou trvaním povedú k väčšiemu rozptylu energií. Zavedené lúče veľkej dĺžky môžu tiež prinášať vyššie hodnoty emitanci*.
Emitancia* — fázový priestor, ktorý zaujíma akcelerovaný lúč nabitých častíc.
V prípade terahertzového akcelerátora je perióda excitácie poľa približne 200-krát kratšia. Preto intenzita* udržiavaného poľa bude 10-krát vyššia.
Intenzita elektrického poľa* — ukazovateľ elektrického poľa, rovný pomeru sily aplikovanej na nehybný bodový náboj umiestnený v danom bode poľa k veľkosti tohto náboja.
Týmto spôsobom majú v terahertzovom akcelerátore gradienty poľa, ktoré elektróny pociťujú, môžu byť niekoľko rádov vyššie ako v bežnom zariadení. Časový rámec, v ktorom je zakrivenie poľa zjavné, bude pritom výrazne menší. Z toho vyplýva, že dĺžka zavedeného elektronového lúča bude mať viac výrazný vplyv.
Vedci sa rozhodli prakticky overiť údaje tejto teórie. Na tento účel zavádzali lúče elektronov rôznej dĺžky, ktorá bola kontrolovaná stlačením pomocou prvého STEAM zariadenia (STEAM-buncher).
Obrázok č. 3
V prípade, keď kompresor nebol pripojený k zdroju napájania, lúče elektronov (55 keV) s nábojom ∼1 fC (femtokoulomb) prechádzali približne 300 mm od elektronovej pištole k zariadeniu lineárneho urýchľovača (STEAM-linac). Tieto elektróny sa mohli rozšíriť pod vplyvom síl priestorového náboja až do dĺžky viac ako 1000 fs (femtosekúnd).
Pri takej dĺžke elektronový lúč zaberá približne 60 % polvlny akcelerujúceho poľa s frekvenciou 1,7 ps, čo vedie k energetickému spektru po akcelerácii s vrcholom na 115 keV a polovičnou šírkou rozdelenia energie cez 60 keV (3a).
Na porovnanie týchto výsledkov s očakávanými bola simuluje situácia šírenia elektronov cez lineárny urýchľovač, keď sú elektróny nesynchronizované (t.j. nezodpovedajú) vo vzťahu k optimálnemu času zavedenia. Výpočty takejto situácie ukázali, že prírastok energie elektrónov veľmi závisí od času zavedenia až po subpikosekundový časový rámec (3b). To znamená, že pri optimálnom nastavení elektrón postihne plný poloperióda urýchlenia terahertzového žiarenia v každom vrstve (3s).
Ak však elektróny prichádzajú v rôznych časoch, zažívajú menšie urýchlenie v prvej vrstve, čo si vyžaduje viac času na jej prechod. Potom sa nesynchronizácia zosilňuje v nasledujúcich vrstvách, čo vedie k neželanému spomaleniu (3d).
Aby sa čo najviac znížil negatívny efekt časovej rozšírenosti elektrónového lúča, prvé zariadenie STEAM pracovalo v režime kompresie. Dĺžka elektrónového lúča na lineárnom urýchľovači bola optimalizovaná na minimum ~ 350 fs (polovičná šírka) nastavením terahertzovej energie dodávanej do kompresora a prepínaním lineárneho urýchľovača do režimu škrtania (4b).
Obrázok č. 4
Minimálna dĺžka lúča bola stanovená v súlade s dĺžkou UV impulzu fotokatalyzátora, ktorého dĺžka bola ~ 600 fs. Dôležitú úlohu zohralo aj vzdialenosť medzi kompresorom a pásom, čo obmedzovalo silu zhustenia podľa rýchlosti. V súhrne tieto opatrenia umožňujú dosiahnuť femtosekundovú presnosť fázy zavedenia počas fázy urýchlenia.
Na obrázku 4a je vidno, že rozptyl energie zhušťovaného elektrónového lúča po optimalizovanom urýchlení v lineárnom urýchľovači sa zmenšuje približne 4-krát v porovnaní s nezhušťovaným. Vďaka urýchleniu sa energetické spektrum zhušťovaného lúča posúva smerom k vyšším energiám, na rozdiel od nezhušťovaného lúča. Vrchol energetického spektra po urýchlení dosahuje približne 115 keV, a vysokoenergetický chvost dosahuje približne 125 keV.
Tieto ukazovatele, podľa skromného vyhlásenia vedcov, sú novým rekordom urýchlenia (pred urýchlením bolo 70 keV) v terahertzovom rozsahu.
Ale aby sa znížil rozptyl energie (4a), je potrebné dosiahnuť ešte kratší lúč.
Obrázok č. 5
V prípade nespracovaného zadaného zväzku parabolická závislosť veľkosti zväzku od prúdu ukazuje priečny emittance v horizontálnych a vertikálnych smeroch: εx,n = 1.703 mm*mrad a εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresia však zlepšila priečny emittance 6-krát na εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontálny) a εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikálny).
Je dôležité poznamenať, že miera zníženia emittancie je približne dvakrát väčšia než miera skrátenia trvania zväzku, čo je mierou nelinearity dynamiky interakcie s časom, keď elektróny zažívajú silné zaostrenie a rozostrenie magnetického poľa počas urýchľovania (5b a 5c).
Na obrázku 5b je vidieť, že elektróny zadané v optimálnom čase zažívajú celý poloperiódu urýchľovania elektrického poľa. Na druhej strane elektróny, ktoré prichádzajú pred alebo po optimálnom okamihu, zažívajú menšie urýchlenie a dokonca čiastočné spomalenie. Títo elektróny preto získavajú menej energie, zjednodušene povedané.
Podobná situácia sa pozoruje aj pri pôsobení magnetického poľa. Elektróny zadané v optimálnom čase zažívajú symetrické množstvo pozitívnych a negatívnych magnetických polí. Ak však bol vstup elektrónov uskutočnený skôr, ako by bol optimálny čas, bolo viac pozitívnych polí a menej negatívnych. V prípade oneskoreného zavedenia elektrónov po optimálnom čase — menej pozitívnych a viac negatívnych (5c). A takéto odchýlky vedú k tomu, že elektron sa môže odchýliť doľava, doprava, nahor alebo nadol v závislosti od jeho polohy voči osi, čo vedie k zvýšeniu priečneho impulzu, ktorý zodpovedá zaostreniu alebo rozostreniu lúča.
Pre podrobnejšie oboznámenie s nuansami výskumu odporúčam pozrieť sa do a k nej.
Epilog
Súhrnne, výkon urýchľovača bude narastať v prípade zníženia trvania zväzku elektrónov. V tejto práci bola dosiahnuteľná dĺžka zväzku obmedzená geometriou zariadenia. Ale teoreticky môže dĺžka zväzku dosiahnuť menej ako 100 fs.
Taktiež vedci uvádzajú, že kvalitu zväzku je možné v budúcnosti zlepšiť znížením výšky vrstiev a zvýšením ich počtu. Tento metóda však nie je bez problémov, najmä zvýšením zložitosti výroby zariadenia.
Táto práca je úvodným krokom k rozsiahlejšiemu a podrobnejšiemu skúmaniu miniatúrnej verzie lineárneho urýchľovača. Hoci skúšaná verzia už dosahuje vynikajúce výsledky, ktoré možno oprávnene nazvať rekordnými, pred nami je ešte veľa práce.
Ďakujem za pozornosť, ostávajte zvedaví a prajem všetkým dobrý pracovný týždeň, kamaráti! 🙂
Ďakujeme, že s nami zostávate. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavých materiálov? Podporte nás objednaním alebo odporúčaním priateľom, 30% zľava pre používateľov Chabra na unikátny ekvivalent entry-level serverov, ktorý sme pre vás vytvorili: (k dispozícii varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovicu? Len u nás v Holandsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolárov! Prečítajte si o tom
Zdroj: habr.com
