Známy princíp „viac je silnejší“ je už dlho zavedený v mnohých oblastiach spoločnosti vrátane vedy a techniky. V modernej realite sa však praktické vykonávanie príslovia „malý, ale mocný“ stáva čoraz bežnejším. Prejavuje sa to ako v počítačoch, ktoré predtým zaberali celú miestnosť, no teraz sa zmestia do dlane dieťaťa, tak aj v urýchľovačoch nabitých častíc. Áno, pamätáte sa na Veľký hadrónový urýchľovač (LHC), ktorého impozantné rozmery (26 659 m na dĺžku) sú doslova uvedené v jeho názve? To je teda podľa vedcov z DESY už minulosťou, ktorí vyvinuli miniatúrnu verziu urýchľovača, ktorá nie je výkonovo o nič nižšia ako jeho predchodca v plnej veľkosti. Navyše, mini urýchľovač dokonca vytvoril nový svetový rekord medzi terahertzovými urýchľovačmi, zdvojnásobil energiu vložených elektrónov. Ako vznikol miniatúrny urýchľovač, aké sú základné princípy jeho fungovania a čo ukázali praktické experimenty? Správa výskumnej skupiny nám to pomôže zistiť. Choď.
Výskumný základ
Podľa Dongfanga Zhanga a jeho kolegov z DESY (German Electron Synchrotron), ktorí vyvinuli mini-urýchľovač, hrajú ultrarýchle zdroje elektrónov v živote modernej spoločnosti neuveriteľne dôležitú úlohu. Mnohé z nich sa objavujú v medicíne, vývoji elektroniky a vedeckom výskume. Najväčším problémom súčasných lineárnych urýchľovačov využívajúcich vysokofrekvenčné oscilátory je ich vysoká cena, zložitá infraštruktúra a pôsobivá spotreba energie. A takéto nedostatky značne obmedzujú dostupnosť takýchto technológií pre širší okruh používateľov.
Tieto zjavné problémy sú veľkým podnetom na vývoj zariadení, ktorých veľkosť a spotreba energie nevyvolajú hrôzu.
Medzi relatívne novinky v tomto odvetví patria terahertzové urýchľovače, ktoré majú množstvo „výhod“:
- Očakáva sa, že krátke vlny a krátke impulzy terahertzového žiarenia výrazne zvýšia prah zlomiť*, spôsobené poľom, ktoré zvýši gradienty zrýchlenia;
Elektrická porucha* - prudké zvýšenie intenzity prúdu pri použití napätia nad kritickou hodnotou.
- prítomnosť účinných metód na generovanie terahertzového žiarenia s vysokým poľom umožňuje vnútornú synchronizáciu medzi elektrónmi a budiacimi poľami;
- Na vytvorenie takýchto zariadení je možné použiť klasické metódy, ale výrazne sa znížia ich náklady, čas výroby a veľkosť.
Vedci sa domnievajú, že ich terahertzový urýchľovač v milimetrovej mierke je kompromisom medzi bežnými urýchľovačmi, ktoré sú v súčasnosti dostupné, a mikrourýchľovačmi, ktoré sa vyvíjajú, ale majú veľa nevýhod pre svoje veľmi malé rozmery.
Výskumníci nepopierajú, že technológia terahertzového zrýchlenia je už nejaký čas vo vývoji. Podľa ich názoru však v tejto oblasti stále existuje veľa aspektov, ktoré nie sú preskúmané, testované alebo implementované.
Vedci vo svojej práci, o ktorej dnes uvažujeme, demonštrujú schopnosti STEAM (segmentovaný terahertzový elektrónový urýchľovač a manipulátor) - segmentovaný terahertzový elektrónový urýchľovač a manipulátor. STEAM umožňuje skrátiť dĺžku elektrónového lúča na sub-pikosekundové trvanie, čím poskytuje femtosekundovú kontrolu nad fázou zrýchlenia.
Podarilo sa dosiahnuť zrýchlenie poľa 200 MV/m (MV - megavolt), čo vedie k rekordnému terahertzovému zrýchleniu > 70 keV (kiloelektrónvolt) z vloženého elektrónového lúča s energiou 55 keV. Týmto spôsobom sa získali zrýchlené elektróny až do 125 keV.
Štruktúra a implementácia zariadenia
Obrázok č.1: schéma skúmaného zariadenia.
Obrázok č.1-2: a - schéma rozvinutej 5-vrstvovej segmentovanej štruktúry, b - pomer vypočítaného zrýchlenia a smeru šírenia elektrónov.
Elektrónové lúče (55 keV) sú generované z elektrónová pištoľ* a sú zavedené do terahertzového STEAM-buncher (lúčový kompresor), po ktorom prechádzajú do STEAM-linac (lineárny urýchľovač*).
Elektrónová pištoľ* — zariadenie na generovanie zväzku elektrónov požadovanej konfigurácie a energie.
Lineárny urýchľovač* - urýchľovač, v ktorom nabité častice prejdú štruktúrou len raz, čím sa odlišuje lineárny urýchľovač od cyklického (napríklad LHC).
Obe zariadenia STEAM prijímajú terahertzové impulzy z jedného blízkeho infračerveného (NIR) lasera, ktorý tiež vyžaruje fotokatódu elektrónovej pištole, čo vedie k vnútornej synchronizácii medzi elektrónmi a urýchľovacími poľami. Ultrafialové impulzy pre fotoemisiu na fotokatóde sa generujú v dvoch po sebe nasledujúcich stupňoch GVG* základná vlnová dĺžka blízkeho infračerveného svetla. Tento proces konvertuje 1020 nm laserový impulz najskôr na 510 nm a potom na 255 nm.
GVG* (optická druhá harmonická generácia) je proces spájania fotónov rovnakej frekvencie počas interakcie s nelineárnym materiálom, čo vedie k tvorbe nových fotónov s dvojnásobnou energiou a frekvenciou, ako aj polovičnou vlnovou dĺžkou.
Zvyšok NIR laserového lúča je rozdelený do 4 lúčov, ktoré sa používajú na generovanie štyroch jednocyklových terahertzových impulzov generovaním intrapulzných frekvenčných rozdielov.
Dva terahertzové impulzy sú potom dodávané do každého zariadenia STEAM cez symetrické štruktúry rohov, ktoré smerujú terahertzovú energiu do oblasti interakcie v smere šírenia elektrónov.
Keď elektróny vstúpia do každého zariadenia STEAM, sú vystavené elektrickým a magnetickým komponentom Lorentzove sily*.
Lorentzova sila* - sila, ktorou pôsobí elektromagnetické pole na nabitú časticu.
V tomto prípade je elektrické pole zodpovedné za zrýchlenie a spomalenie a magnetické pole spôsobuje bočné vychýlenie.
Obrázok č. 2
Ako vidíme na obrázkoch 2 и 2b, Vo vnútri každého zariadenia STEAM sú terahertzové lúče rozdelené priečne tenkými kovovými plátmi na niekoľko vrstiev rôznej hrúbky, z ktorých každá pôsobí ako vlnovod, prenášajúci časť celkovej energie do oblasti interakcie. V každej vrstve sú tiež dielektrické dosky na koordináciu času príchodu terahertzov predná vlna* s prednou časťou elektrónov.
Wavefront* - povrch, na ktorý sa vlna dostala.
Obe zariadenia STEAM pracujú v elektrickom režime, to znamená tak, že vytvárajú elektrické pole a potláčajú magnetické pole v strede interakčnej oblasti.
V prvom zariadení sú elektróny načasované na prechod nulový prechod* terahertzové pole, kde sú časové gradienty elektrického poľa maximalizované a priemerné pole je minimalizované.
nulový prechod* - bod, kde nie je napätie.
Táto konfigurácia spôsobuje zrýchlenie konca elektrónového lúča a spomalenie jeho hlavy, čo vedie k balistickému pozdĺžnemu zaostrovaniu (2 и 2s).
V druhom zariadení je synchronizácia elektrónového a terahertzového žiarenia nastavená tak, že elektrónový lúč zažíva len negatívny cyklus terahertzového elektrického poľa. Výsledkom tejto konfigurácie je čisté nepretržité zrýchlenie (2b и 2d).
NIR laser je kryogénne chladený systém Yb:YLF, ktorý produkuje optické impulzy s trvaním 1.2 ps a energiou 50 mJ pri vlnovej dĺžke 1020 nm a opakovacej frekvencii 10 Hz. A terahertzové impulzy s centrálnou frekvenciou 0.29 terahertzov (perióda 3.44 ps) sú generované metódou nakloneného impulzného čela.
Na napájanie STEAM-bunchera (lúčový kompresor) sa spotrebovalo len 2 x 50 nJ terahertzovej energie a STEAM-linac (lineárny urýchľovač) potreboval 2 x 15 mJ.
Priemer vstupných a výstupných otvorov oboch zariadení STEAM je 120 mikrónov.
Kompresor lúča je navrhnutý s tromi vrstvami rovnakej výšky (0 mm), ktoré sú vybavené doskami z taveného oxidu kremičitého (ϵr = 225) s dĺžkou 4.41 a 0.42 mm na riadenie časovania. Rovnaké výšky vrstiev kompresora odrážajú skutočnosť, že nedochádza k žiadnemu zrýchleniu (2s).
Ale v lineárnom urýchľovači sú výšky už iné - 0.225, 0.225 a 0.250 mm (+ dosky z taveného kremeňa 0.42 a 0.84 mm). Zvýšenie výšky vrstvy vysvetľuje zvýšenie rýchlosti elektrónov počas zrýchlenia.
Vedci poznamenávajú, že počet vrstiev je priamo zodpovedný za funkčnosť každého z týchto dvoch zariadení. Napríklad dosiahnutie vyššej rýchlosti zrýchlenia by si vyžadovalo viac vrstiev a rôzne výškové konfigurácie na optimalizáciu interakcie.
Výsledky praktických experimentov
Po prvé, výskumníci pripomínajú, že v tradičných vysokofrekvenčných urýchľovačoch je vplyv časového rozsahu vloženého elektrónového lúča na vlastnosti zrýchleného lúča spôsobený zmenou elektrického poľa počas interakcie rôznych elektrónov v rámci prichádzajúceho lúča. v rôznych časoch. Dá sa teda očakávať, že polia s vyšším gradientom a lúče s dlhším trvaním povedú k väčšiemu šíreniu energie. Injektované lúče s dlhým trvaním môžu tiež viesť k vyšším hodnotám emisie*.
emisia* — fázový priestor obsadený zrýchleným lúčom nabitých častíc.
V prípade terahertzového urýchľovača je perióda budiaceho poľa približne 200-krát kratšia. teda napätie* podporované pole bude 10-krát vyššie.
Intenzita elektrického poľa* - indikátor elektrického poľa, rovný pomeru sily pôsobiacej na stacionárny bodový náboj umiestnený v danom bode poľa k veľkosti tohto náboja.
V terahertzovom urýchľovači teda môžu byť gradienty poľa elektrónov o niekoľko rádov vyššie ako v bežnom zariadení. Časová mierka, na ktorej je zakrivenie poľa viditeľné, bude výrazne menšie. Z toho vyplýva, že trvanie zavedeného elektrónového lúča bude mať výraznejší účinok.
Vedci sa rozhodli tieto teórie otestovať v praxi. Na tento účel zaviedli elektrónové lúče rôzneho trvania, ktoré boli riadené kompresiou pomocou prvého zariadenia STEAM (STEAM-buncher).
Obrázok č. 3
V prípade, že kompresor nebol pripojený k zdroju energie, lúče elektrónov (55 keV) s nábojom ~1 fC (femtokoulomb) prechádzali približne 300 mm z elektrónového dela do lineárneho urýchľovacieho zariadenia (STEAM-linac). Tieto elektróny by sa mohli rozširovať pod vplyvom síl vesmírneho náboja až na dobu dlhšiu ako 1000 fs (femtosekúnd).
V tomto čase elektrónový lúč zaberal asi 60 % polovičnej vlnovej dĺžky zrýchľovacieho poľa pri frekvencii 1,7 ps, výsledkom čoho bolo energetické spektrum po zrýchlení s vrcholom pri 115 keV a polovičnou šírkou distribúcie energie. viac ako 60 keV (3).
Na porovnanie týchto výsledkov s tými, ktoré sa očakávali, bola simulovaná situácia šírenia elektrónov cez lineárny urýchľovač, keď elektróny neboli synchronizované (t. j. neboli synchronizované s) optimálnym časom vstrekovania. Výpočty tejto situácie ukázali, že nárast energie elektrónov je veľmi závislý od momentu vstreknutia, až po subpikosekundovú časovú škálu (3b). To znamená, že pri optimálnom nastavení zažije elektrón celý polcyklus zrýchlenia terahertzového žiarenia v každej vrstve (3s).
Ak elektróny dorazia v rôznych časoch, zaznamenajú menšie zrýchlenie v prvej vrstve, čo spôsobí, že prechod cez ňu trvá dlhšie. Desynchronizácia sa potom zvyšuje v nasledujúcich vrstvách, čo spôsobuje nežiaduce spomalenie (3d).
Aby sa minimalizoval negatívny vplyv dočasného predĺženia elektrónového lúča, prvé zariadenie STEAM pracovalo v kompresnom režime. Trvanie elektrónového lúča v linac bolo optimalizované na minimum ~ 350 fs (polovičná šírka) vyladením terahertzovej energie dodávanej do kompresora a prepnutím linac do režimu šrafovania (4b).
Obrázok č. 4
Minimálne trvanie lúča bolo nastavené v súlade s trvaním UV pulzu fotokatódy, ktorý bol ~ 600 fs. Dôležitú úlohu zohrala aj vzdialenosť medzi kompresorom a pásom, ktorá obmedzovala rýchlosť zahusťovacej sily. Spoločne tieto opatrenia umožňujú femtosekundovú presnosť vo fáze vstrekovania vo fáze zrýchlenia.
Na obrázku 4 je vidieť, že energetický rozptyl stlačeného elektrónového lúča po optimalizovanom zrýchlení v lineárnom urýchľovači klesá ~ 4-krát v porovnaní s nestlačeným. Vplyvom zrýchlenia je energetické spektrum stlačeného lúča posunuté smerom k vyšším energiám, na rozdiel od nestlačeného lúča. Vrchol energetického spektra po zrýchlení je asi 115 keV a vysokoenergetický chvost dosahuje asi 125 keV.
Tieto čísla sú podľa skromného vyjadrenia vedcov novým rekordom zrýchlenia (pred zrýchlením to bolo 70 keV) v rozsahu terahertzov.
Aby sa však znížil rozptyl energie (4), musí sa dosiahnuť ešte kratší lúč.
Obrázok č. 5
V prípade nestlačeného zavedeného lúča parabolická závislosť veľkosti lúča od prúdu odhalí priečnu emisiu v horizontálnom a vertikálnom smere: εx,n = 1.703 mm*mrad a εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
Kompresia zase zlepšila priečnu emisiu 6-krát na εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontálne) a εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikálne).
Stojí za zmienku, že stupeň zníženia emisie je približne dvakrát väčší ako stupeň zníženia trvania lúča, čo je miera nelinearity dynamiky interakcie s časom, keď elektróny zažívajú silné zaostrenie a rozostrenie magnetického poľa počas zrýchlenia (5b и 5s).
Na obrázku 5b Je vidieť, že elektróny zavedené v optimálnom čase zažijú celý polcyklus zrýchlenia elektrického poľa. Ale elektróny, ktoré prichádzajú pred alebo po optimálnom čase, zažívajú menšie zrýchlenie a dokonca čiastočné spomalenie. Takéto elektróny skončia s menšou energiou, zhruba povedané.
Podobná situácia sa pozoruje pri vystavení magnetickému poľu. Elektróny vstreknuté v optimálnom čase zažívajú symetrické množstvo pozitívnych a negatívnych magnetických polí. Ak k zavedeniu elektrónov došlo pred optimálnym časom, potom bolo viac pozitívnych polí a menej negatívnych. Ak sa elektróny zavedú neskôr, ako je optimálny čas, bude menej pozitívnych a viac negatívnych (5s). A takéto odchýlky vedú k tomu, že elektrón sa môže odchýliť doľava, doprava, nahor alebo nadol v závislosti od jeho polohy vzhľadom na os, čo vedie k zvýšeniu priečnej hybnosti zodpovedajúcej zaostreniu alebo rozostreniu lúča.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť и jemu.
Epilóg
Stručne povedané, výkon urýchľovača sa zvýši, ak sa skráti trvanie elektrónového lúča. V tejto práci bolo dosiahnuteľné trvanie lúča obmedzené geometriou inštalácie. Ale teoreticky môže trvanie lúča dosiahnuť menej ako 100 fs.
Vedci tiež poznamenávajú, že kvalitu lúča možno ďalej zlepšiť znížením výšky vrstiev a zvýšením ich počtu. Tento spôsob však nie je bezproblémový, najmä zvyšuje zložitosť výroby zariadenia.
Táto práca je počiatočnou fázou rozsiahlejšej a podrobnejšej štúdie miniatúrnej verzie lineárneho urýchľovača. Napriek tomu, že už testovaná verzia vykazuje výborné výsledky, ktoré možno právom nazvať rekordnými, je na nej ešte veľa práce.
Ďakujem za pozornosť, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný týždeň! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com