Znano načelo »več je močnejše« je že dolgo uveljavljeno v mnogih sektorjih družbe, vključno z znanostjo in tehnologijo. Vendar pa v sodobni realnosti praktična izvedba reka "majhen, a mogočen" postaja vse pogostejša. To se kaže tako v računalnikih, ki so prej zavzemali celo sobo, zdaj pa so v otroški dlani, kot v pospeševalnikih nabitih delcev. Da, se spomnite velikega hadronskega trkalnika (LHC), katerega impresivne dimenzije (dolžina 26 m) so dobesedno navedene v njegovem imenu? To je torej že preteklost po mnenju znanstvenikov iz DESY, ki so razvili miniaturno različico pospeševalnika, ki po zmogljivosti ni slabša od svojega predhodnika polne velikosti. Poleg tega je mini pospeševalnik postavil celo nov svetovni rekord med teraherčnimi pospeševalniki, saj je podvojil energijo vgrajenih elektronov. Kako so razvili miniaturni pospeševalnik, kakšni so osnovni principi njegovega delovanja in kaj so pokazali praktični poskusi? O tem nam bo pomagalo ugotoviti poročilo raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Po mnenju Dongfanga Zhanga in njegovih kolegov pri DESY (nemški elektronski sinhrotron), ki so razvili mini pospeševalnik, imajo ultrahitri viri elektronov izjemno pomembno vlogo v življenju sodobne družbe. Mnogi od njih se pojavljajo v medicini, razvoju elektronike in znanstvenih raziskavah. Največja težava trenutnih linearnih pospeševalnikov, ki uporabljajo radiofrekvenčne oscilatorje, je njihova visoka cena, kompleksna infrastruktura in impresivna poraba energije. In takšne pomanjkljivosti močno omejujejo dostopnost tovrstnih tehnologij širšemu krogu uporabnikov.
Te očitne težave so odlična spodbuda za razvoj naprav, katerih velikost in poraba energije ne bosta povzročali groze.
Med relativnimi novostmi v tej panogi so teraherčni pospeševalniki, ki imajo vrsto »prednosti«:
- Pričakuje se, da bodo kratki valovi in kratki impulzi teraherčnega sevanja občutno zvišali prag zlomiti se*, ki ga povzroča polje, kar bo povečalo gradiente pospeška;
Električna okvara* - močno povečanje jakosti toka, ko se uporabi napetost nad kritično.
- prisotnost učinkovitih metod za generiranje teraherčnega sevanja z visokim poljem omogoča notranjo sinhronizacijo med elektroni in vzbujevalnimi polji;
- Za izdelavo takšnih naprav je mogoče uporabiti klasične metode, vendar se bodo njihovi stroški, čas proizvodnje in velikost močno zmanjšali.
Znanstveniki menijo, da je njihov milimetrski teraherčni pospeševalnik kompromis med običajnimi pospeševalniki, ki so trenutno na voljo, in mikropospeševalniki, ki so v razvoju, a imajo zaradi zelo majhnih dimenzij številne pomanjkljivosti.
Raziskovalci ne zanikajo, da se tehnologija teraherčnega pospeševanja razvija že nekaj časa. Vendar pa je po njihovem mnenju na tem področju še veliko vidikov, ki niso raziskani, testirani ali implementirani.
V svojem delu, ki ga obravnavamo danes, znanstveniki prikazujejo zmogljivosti STEAM (segmentirani teraherčni elektronski pospeševalnik in manipulator) - segmentirani teraherčni elektronski pospeševalnik in manipulator. STEAM omogoča zmanjšanje dolžine elektronskega žarka na subpikosekundno trajanje in s tem zagotavlja femtosekundni nadzor nad fazo pospeševanja.
Doseči je bilo mogoče pospeševalno polje 200 MV/m (MV - megavolt), kar vodi do rekordnega teraherčnega pospeška > 70 keV (kiloelektronvolt) iz vgrajenega elektronskega žarka z energijo 55 keV. Na ta način smo dobili pospešene elektrone do 125 keV.
Struktura in izvedba naprave
Slika št. 1: diagram proučevane naprave.
Slika št. 1-2: a - diagram razvite 5-slojne segmentne strukture, b - razmerje izračunanega pospeška in smeri širjenja elektronov.
Elektronski žarki (55 keV) nastanejo iz elektronska puška* in se vnesejo v teraherčni STEAM-buncher (kompresor snopa), nato pa preidejo v STEAM-linac (linearni pospeševalnik*).
Elektronska pištola* — naprava za generiranje žarka elektronov zahtevane konfiguracije in energije.
Linearni pospeševalnik* - pospeševalnik, v katerem gredo nabiti delci skozi strukturo le enkrat, kar razlikuje linearni pospeševalnik od cikličnega (npr. LHC).
Obe napravi STEAM prejemata teraherčne impulze iz enega samega bližnjega infrardečega (NIR) laserja, ki sproži tudi fotokatodo elektronske puške, kar povzroči notranjo sinhronizacijo med elektroni in pospeševalnimi polji. Ultravijolični impulzi za fotoemisijo na fotokatodi se generirajo v dveh zaporednih stopnjah GVG* osnovna valovna dolžina bližnje infrardeče svetlobe. Ta postopek pretvori laserski impulz 1020 nm najprej v 510 nm in nato v 255 nm.
GVG* (generacija optičnega drugega harmonika) je proces združevanja fotonov iste frekvence med interakcijo z nelinearnim materialom, kar vodi do nastanka novih fotonov z dvojno energijo in frekvenco ter polovično valovno dolžino.
Preostanek laserskega žarka NIR se razdeli na 4 žarke, ki se uporabljajo za ustvarjanje štirih enocikličnih teraherčnih impulzov z ustvarjanjem frekvenčnih razlik znotraj impulza.
Dva teraherčna impulza sta nato dostavljena v vsako napravo STEAM prek simetričnih rogov, ki usmerjajo teraherčno energijo v območje interakcije čez smer širjenja elektronov.
Ko elektroni vstopijo v vsako napravo STEAM, so izpostavljeni električnim in magnetnim komponentam Lorentzove sile*.
Lorentzova sila* - sila, s katero elektromagnetno polje deluje na nabit delec.
V tem primeru je električno polje odgovorno za pospeševanje in zaviranje, magnetno polje pa povzroča stranske odklone.
Slika #2
Kot vidimo na slikah 2 и 2b, Znotraj vsake naprave STEAM so teraherčni žarki prečno razdeljeni s tankimi kovinskimi ploščami v več plasti različnih debelin, od katerih vsaka deluje kot valovod in prenaša del celotne energije v območje interakcije. V vsaki plasti so tudi dielektrične plošče za usklajevanje časa prihoda teraherca valovita fronta* s sprednjo stranjo elektronov.
valovna fronta* - površina, ki jo je dosegel val.
Obe napravi STEAM delujeta v električnem načinu, to je tako, da v središču območja interakcije uporabljata električno polje in dušita magnetno polje.
V prvi napravi so elektroni časovno določeni za prehod prehod čez ničlo* teraherčno polje, kjer so časovni gradienti električnega polja maksimirani, povprečno polje pa minimizirano.
Prečkanje ničle* - točka, kjer ni napetosti.
Ta konfiguracija povzroči pospešek repa elektronskega žarka in upočasnitev njegove glave, kar ima za posledico balistično vzdolžno ostrenje (2 и 2s).
V drugi napravi je sinhronizacija elektronskega in teraherčnega sevanja nastavljena tako, da elektronski žarek doživi le negativni cikel teraherčnega električnega polja. Rezultat te konfiguracije je neto zvezni pospešek (2b и 2d).
NIR laser je kriogeno hlajen sistem Yb:YLF, ki proizvaja optične impulze s trajanjem 1.2 ps in energijo 50 mJ pri valovni dolžini 1020 nm in hitrosti ponavljanja 10 Hz. In teraherčni impulzi s centralno frekvenco 0.29 teraherca (perioda 3.44 ps) se generirajo z metodo nagnjene fronte impulza.
Za napajanje STEAM-buncherja (kompresor žarka) je bilo porabljeno le 2 x 50 nJ teraherčne energije, STEAM-linac (linac) pa 2 x 15 mJ.
Premer vstopne in izstopne luknje obeh naprav STEAM je 120 mikronov.
Kompresor snopa je zasnovan s tremi plastmi enake višine (0 mm), ki so opremljene s ploščami iz taljenega silicijevega dioksida (ϵr = 225) dolžine 4.41 in 0.42 mm za krmiljenje časa. Enake višine slojev kompresorja odražajo dejstvo, da ni pospeška (2s).
Toda v linearnem pospeševalniku so višine že drugačne - 0.225, 0.225 in 0.250 mm (+ taljene kvarčne plošče 0.42 in 0.84 mm). Povečanje višine plasti pojasnjuje povečanje hitrosti elektronov med pospeševanjem.
Znanstveniki ugotavljajo, da je število plasti neposredno odgovorno za funkcionalnost vsake od obeh naprav. Doseganje višjih stopenj pospeševanja bi na primer zahtevalo več plasti in različne višinske konfiguracije za optimizacijo interakcije.
Rezultati praktičnih poskusov
Prvič, raziskovalci opozarjajo, da je pri tradicionalnih radiofrekvenčnih pospeševalnikih učinek časovnega obsega vgrajenega elektronskega žarka na lastnosti pospešenega žarka posledica spremembe električnega polja, do katerega pride med interakcijo različnih elektronov v žarku, ki prihaja ob različnih časih. Tako je mogoče pričakovati, da bodo polja z višjimi gradienti in žarki z daljšim trajanjem vodili do večjega širjenja energije. Dolgotrajni vbrizgani žarki lahko povzročijo tudi višje vrednosti emisije*.
Oddajanje* — fazni prostor, ki ga zaseda pospešeni žarek nabitih delcev.
Pri teraherčnem pospeševalniku je doba vzbujalnega polja približno 200-krat krajša. torej napetost* podprto polje bo 10-krat višje.
Jakost električnega polja* - indikator električnega polja, ki je enak razmerju sile, ki deluje na stacionarni točkovni naboj, postavljen na dano točko v polju, na velikost tega naboja.
Tako so lahko v teraherčnem pospeševalniku gradienti polja, ki jih občutijo elektroni, za nekaj velikosti višji kot v običajni napravi. Časovno merilo, na katerem je opazna ukrivljenost polja, bo bistveno manjše. Iz tega sledi, da bo imelo trajanje vnesenega elektronskega žarka izrazitejši učinek.
Znanstveniki so se odločili te teorije preizkusiti v praksi. Za to so uvedli elektronske žarke različnih trajanj, ki so bili krmiljeni s kompresijo s prvo napravo STEAM (STEAM-buncher).
Slika #3
V primeru, da kompresor ni bil priključen na vir energije, so žarki elektronov (55 keV) z nabojem ~1 fC (femtokulon) prešli približno 300 mm od elektronske pištole do naprave za linearni pospeševalnik (STEAM-linac). Ti elektroni bi se lahko razširili pod vplivom sil prostorskega naboja do trajanja več kot 1000 fs (femtosekund).
V tem času je elektronski žarek zasedel približno 60 % polovične valovne dolžine pospeševalnega polja pri frekvenci 1,7 ps, kar je povzročilo energijski spekter po pospeševanju z vrhom pri 115 keV in polovično širino porazdelitve energije več kot 60 keV (3).
Za primerjavo teh rezultatov s pričakovanimi je bila situacija širjenja elektronov skozi linearni pospeševalnik simulirana, ko elektroni niso bili sinhronizirani z (tj. nesinhronizirani z) optimalnim časom vbrizgavanja. Izračuni te situacije so pokazali, da je povečanje energije elektronov zelo odvisno od trenutka vbrizga, vse do subpikosekundne časovne skale (3b). To pomeni, da bo z optimalno nastavitvijo elektron doživel polni pol cikla teraherčnega pospeška sevanja v vsaki plasti (3s).
Če elektroni prispejo ob različnih časih, doživljajo manjši pospešek v prvi plasti, zaradi česar potujejo dlje skozi njo. Desinhronizacija se nato poveča v naslednjih plasteh, kar povzroči neželeno upočasnitev (3d).
Da bi čim bolj zmanjšali negativni učinek časovne razširitve elektronskega žarka, je prva naprava STEAM delovala v kompresijskem načinu. Trajanje elektronskega žarka v linaku je bilo optimizirano na najmanj ~350 fs (polovična širina) z nastavitvijo teraherčne energije, dovedene kompresorju, in preklopom linaka v način šrafiranja (4b).
Slika #4
Najmanjše trajanje žarka je bilo nastavljeno v skladu s trajanjem UV impulza fotokatode, ki je bil ~ 600 fs. Pomembno vlogo je imela tudi razdalja med kompresorjem in trakom, ki je omejila hitrost zgoščevanja. Ti ukrepi skupaj omogočajo femtosekundno natančnost v fazi vbrizgavanja v fazi pospeševanja.
Na sliki 4 razvidno je, da se razpršitev energije stisnjenega elektronskega žarka po optimiziranem pospešku v linearnem pospeševalniku zmanjša za ~ 4-krat v primerjavi z nestisnjenim. Zaradi pospeševanja je energijski spekter stisnjenega žarka pomaknjen proti višjim energijam, v nasprotju z nestisnjenim žarkom. Vrh energijskega spektra po pospešku je približno 115 keV, visokoenergijski rep pa doseže okoli 125 keV.
Te številke so po skromni izjavi znanstvenikov nov rekord pospeška (pred pospeškom je bil 70 keV) v območju terahercev.
Toda za zmanjšanje razpršenosti energije (4), je treba doseči še krajši žarek.
Slika #5
V primeru nestisnjenega vnesenega žarka parabolična odvisnost velikosti žarka od toka razkriva prečno emisijo v vodoravni in navpični smeri: εx,n = 1.703 mm*mrad in εy,n = 1.491 mm*mrad (5).
Stiskanje pa je izboljšalo prečno sevanje za 6-krat na εx,n = 0,285 mm*mrad (vodoravno) in εy,n = 0,246 mm*mrad (navpično).
Omeniti velja, da je stopnja zmanjšanja emitacije približno dvakrat večja od stopnje zmanjšanja trajanja žarka, kar je merilo nelinearnosti dinamike interakcije s časom, ko elektroni med pospeševanjem doživljajo močno fokusiranje in defokusiranje magnetnega polja (5b и 5s).
Na sliki 5b Vidimo lahko, da elektroni, vneseni ob optimalnem času, doživljajo celoten pol cikel pospeška električnega polja. Toda elektroni, ki prispejo pred ali po optimalnem času, doživljajo manjši pospešek in celo delno upočasnitev. Takšni elektroni končajo z manj energije, grobo rečeno.
Podobno stanje opazimo pri izpostavljenosti magnetnemu polju. Elektroni, vbrizgani ob optimalnem času, doživljajo simetrične količine pozitivnih in negativnih magnetnih polj. Če je do vnosa elektronov prišlo pred optimalnim časom, je bilo več pozitivnih polj in manj negativnih. Če so elektroni uvedeni pozneje kot je optimalen čas, bo manj pozitivnih in več negativnih (5s). In takšna odstopanja vodijo do dejstva, da lahko elektron odstopa v levo, desno, navzgor ali navzdol, odvisno od njegovega položaja glede na os, kar vodi do povečanja prečnega momenta, ki ustreza fokusiranju ali defokusiranju žarka.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled и njemu.
Epilog
Če povzamemo, se bo zmogljivost pospeševalnika povečala, če se zmanjša trajanje elektronskega žarka. V tem delu je bilo dosegljivo trajanje žarka omejeno z geometrijo namestitve. Toda teoretično lahko trajanje žarka doseže manj kot 100 fs.
Znanstveniki tudi ugotavljajo, da je kakovost žarka mogoče še izboljšati z zmanjšanjem višine plasti in povečanjem njihovega števila. Vendar ta metoda ni brez težav, zlasti zaradi povečanja kompleksnosti izdelave naprave.
To delo je začetna faza obsežnejše in podrobnejše študije miniaturne različice linearnega pospeševalnika. Kljub temu, da preizkušena različica že kaže odlične rezultate, ki jih lahko upravičeno označimo za rekordne, je dela še veliko.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje! 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com