Parimi i njohur "më shumë do të thotë më i fuqishëm" është vendosur prej kohësh në shumë sektorë të jetës së shoqërisë, përfshirë shkencën dhe Teknologjinë. Megjithatë, në realitetin modern, ne shpesh shohim implementimin praktik të thënieve "i vogël, por ndikues". Kjo shfaqet si në kompjuterët që dikur zinin një tërë dhomë, por tani futen në njërën dorë të një fëmije, ashtu si edhe në përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara. Po, kujtoni tunnelin e madh të hadronëve (LHC), dimensionet e impozante të të cilit (26,659 m në gjatësi) janë tregues të nominimit të tij? Sipas shkencëtarëve të DESY, kjo është tashmë e shkuara, pasi ata kanë zhvilluar një version miniaturë të përshpejtuesit që nuk i lë pas performancat e paraardhësit të tij me madhësi të plotë. Për më tepër, mini përshpejtuesi ka vendosur një rekord botëror të ri midis përshpejtuesve të terahercëve, duke dyfishuar energjinë e elektroneve të inkorporuar. Si u zhvillua përshpejtuesi miniaturë, cilat janë parimet e tij kryesore të funksionimit dhe çfarë treguan eksperimentet praktike? Për këto do të na ndihmojë raporti i grupit hulumtues. Le të fillojmë.
Baza e studimit
Sipas Dongfang Zhang dhe kolegëve të tij nga DESY (Sinhronizimi Elektronik Gjerman), të cilët zhvilluan miniasceleratorin, burimet super të shpejta të elektronit luajnë një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në jetën e shoqërisë moderne. Shumica e tyre manifestohen në mjekësi, zhvillimin e elektronikës dhe kërkimin shkencor. Problemi më i madh i aktualeve akceleratorë linearë, të cilët përdorin gjeneratorë me frekuencë radio, është kostoja e lartë, kompleksiteti i infrastrukturës dhe nevojat e mëdha për energji. Këto mangësi ndihmojnë shumë në kufizimin e aksesit për teknologji të tilla për një audiencë më të gjerë.
Këto probleme të dukshme janë një stimuj i shkëlqyer për zhvillimin e pajisjeve, dimensionet e të cilave nuk do të shkaktojnë frikë, ashtu si niveli i energjisë së konsumuar.
Ndër risitë relative në këtë industri, mund të theksohen akceleratorët teraherc, të cilët ofrojnë një sërë 'përfitimesh':
- pritet që valët e shkurtra dhe impulsat e shkurtra të rrezatimit teraherc të rrisin dukshëm pragun thyerjes*, të shkaktuar nga fusha, duke lejuar kështu rritjen e gradienteve të akcelerimit;
Rrjedha elektrike* â njĂ« rritje e menjĂ«hershme e forcĂ«s sĂ« rrymĂ«s kur aplikohet njĂ« tension mbi kritikun.
- prania e metodave efikase për gjenerimin e rrezatimit terahertz me fushë të lartë mundëson realizimin e sinkronizimit të brendshëm mes elektronëve dhe fushave të nxjerrjes;
- për krijimin e kësaj pajisjeje mund të përdoren metoda klasike, por kostoja, koha e prodhimit dhe përmasat do të reduktohen ndjeshëm.
Shkencëtarët mendojnë se aceleratori i tyre terahertz në përmasat milimetrike është një kompromis midis aceleratorëve të zakonshëm që ka tani dhe mikro-aceleratorëve që po zhvillohen, por kanë shumë disavantazhe për shkak të përmasave të tyre tejet të vogla.
Kërkuesit nuk e mohojnë se teknologjia e accelerimit terahertz ka qenë në zhvillim për një kohë të caktuar. Megjithatë, sipas tyre, në këtë fushë ka ende shumë aspekte që nuk janë studiuar, verifikuar ose realizuar.
NĂ« punĂ«n e tij, e cila po shqyrtojmĂ« sot, shkencĂ«tarĂ«t demonstrojnĂ« mundĂ«sitĂ« e STEAM (acceleratori dhe manipuluesi i elektronĂ«ve terahertz tĂ« segmentuar)) â e caktuar nga njĂ« elektron accelerator dhe manipulator tĂ« segmentuar teraherc. STEAM lejon tĂ« reduktojĂ« gjatĂ«si e njĂ« oborri elektronĂ«sh nĂ« subpikosekondĂ«, duke siguruar kĂ«shtu kontroll femtosekond mbi fazĂ«n e pĂ«rshpejtimit.
ArritĂ«m njĂ« fushĂ« pĂ«rshpejtimi prej 200 MV/m (MV â megavolt), qĂ« çon nĂ« pĂ«rshpejtim rekord teraherc me > 70 keV (kiloelectronvolt) nga oborri i futur i elektronĂ«ve me energji 55 keV. KĂ«shtu u arritĂ«n elektronĂ«t e pĂ«rshpejtuar deri nĂ« 125 keV.
Struktura e pajisjes dhe implementimi i saj
Imazhi â1: diagrami i pajisjes qĂ« po studiohet.
Imazhi â1-2: a â diagrami i strukturĂ«s sĂ« zhvilluar segmentuar me 5 shtresa, b â raporti midis pĂ«rshpejtimit tĂ« llogaritur dhe drejtimit tĂ« pĂ«rhapjes sĂ« elektronĂ«ve.
Oborret e elektronëve (55 keV) gjenerohen nga pistoleta elektronike* dhe futen në STEAM-buncher teraherc (kompresori i oborrit), pas së cilës kalojnë në STEAM-linac (acceleratori linear*).
Pistoleta elektronike* â pajisja pĂ«r gjenerimin e oborrit tĂ« elektronĂ«ve me konfigurimin dhe energjinĂ« e nevojshme.
Acceleratori linear* â njĂ« pĂ«rshpejtues ku grimcat e ngarkuara kalojnĂ« strukturĂ«n vetĂ«m njĂ« herĂ«, çka e dallon pĂ«rshpejtuesin linear nga ai ciklik (p.sh., BAK).
Të dy pajisjet STEAM marrin impulse terahertz nga një lazer drite infrarouj të afërt (NIR), i cili gjithashtu nis fotokatin e armës elektronike, duke çuar në një sinkronizim të brendshëm mes elektronëve dhe fushave përshpejtues. Impulset ultraviolet për fotoemisionin në fotokatin krijohen përmes dy fazave të ndjekura. GVG* gjatësinë kryesore të valës së dritës infrarouj të afërt. Ky proces transformon impulsin lazer me gjatësi vale 1020 nm fillimisht në 510 nm, dhe më pas në 255 nm.
GVG* (krijimi i harmonikĂ«s optike tĂ« dytĂ«) â njĂ« proces i bashkimit tĂ« fotonĂ«ve me frekuenca tĂ« njejta gjatĂ« ndĂ«rveprimit me njĂ« material jo-linear, duke çuar nĂ« formimin e fotonĂ«ve tĂ« rinj me energji dhe frekuencĂ« tĂ« dyfishtĂ«, si dhe njĂ« gjatĂ«si vale dyfish mĂ« tĂ« vogĂ«l.
Pjesa e mbetur e rrezeve NIR-lazer ndahen në 4 rreze, të cilat përdoren për të gjeneruar katër impulse terahertz me një cikël falë gjenerimit të diferencave të frekuencave brenda impulsit.
Dy tÉragherc impulsat mĂ« pas kalojnĂ« nĂ« çdo pajisje STEAM pĂ«rmes strukturave simetrike tĂ« brirĂ«ve, tĂ« cilat drejtojnĂ« energjinĂ« tÉragherce nĂ« zonĂ«n e ndĂ«rveprimit pĂ«rtej drejtimit tĂ« pĂ«rhapjes sĂ« elektronikĂ«ve.
Kur elektronikët hyjnë në secilën nga pajisjet STEAM, ata ekspozohen ndaj përbërësve elektrikë dhe magnetikë. forca Lorentz*.
forca Lorentz* â Ă«shtĂ« forca me tĂ« cilĂ«n fusha elektromagnetike ndikon nĂ« njĂ« grimcĂ« tĂ« ngarkuar.
Në këtë rast, fusha elektrike është përgjegjës për përshpejtimin dhe ngadalësimin, ndërsa fusha magnetike shkakton devijime të përqafojshme.
Imazhi â2
Siç e shohim nĂ« imazhe 2a dhe 2b, brenda çdo pajisje STEAM, tufa tÉragherce ndahen pĂ«rmes fletĂ«ve tĂ« metalizuara tĂ« holla nĂ« disa shtresa me trashĂ«si tĂ« ndryshme, secila prej tĂ« cilave vepron si njĂ« valvod, duke transferuar njĂ« pjesĂ« tĂ« energjisĂ« totale nĂ« zonĂ«n e ndĂ«rveprimit. Gjithashtu, nĂ« çdo shtresĂ« ka pllaka dielektrike pĂ«r tĂ« harmonizuar kohĂ«n e arritjes sĂ« tÉraghercĂ«s valĂ« fronti* me frontin e elektronikĂ«ve.
Fronti i valĂ«s* â Ă«shtĂ« sipĂ«rfaqja deri nĂ« tĂ« cilĂ«n ka arritur vala.
Të dy pajisjet STEAM funksionojnë në një mod elektrik, që do të thotë se prodhojnë një fushë elektrike dhe frenimin e fushës magnetike në qendër të zonës së ndërveprimit.
Në pajisjen e parë, elektronet janë programuar me kohë që të kalojnë përmes kryqëzimit të zeros* të fushës teraherce, ku gradientet e kohës të fushës elektrike janë maksimalizuar dhe fusha mesatare është minimizuar.
Kryqëzimi i zeros* është pika ku nuk ka tension.
Kjo konfigurim shkakton accelerimin e bishtit të ritheksit të elektronëve dhe ngadalsimin e kokës së tij, duke çuar në fokusin balistik longitudinal (2a dhe 2s).
Në pajisjen e dytë, sinkronizimi i elektronit dhe rrezatimit teraherce vendoset në mënyrë që ritheksi i elektronit të përjetojë vetëm ciklin negativ të fushës elektrike teraherce. Kjo konfigurim çon në një shkallim të vazhdueshëm të pastër (2b dhe 2d).
Lazeri me emitim NIR është i ngjashëm me sistemin Yb:YLF me ftohje kriogjenike, i cili jep impulse optike me një kohëzgjatje prej 1.2 ps dhe energji prej 50 mJ në gjatësi vale 1020 nm dhe frekuencë përsëritjeje 10 Hz. Ndërsa impulsat teraherc me frekuencë qendrore 0.29 teraherc (periudha 3.44 ps) gjenerohen me metodën e frontit të kënduar të impulsit.
Për energjimin e STEAM-buncher (kompresori i çarçafit) janë përdorur vetëm 2 x 50 nJ energji teraherc, ndërsa për STEAM-linac (acceleratori linear) nevojiten 2 x 15 mJ.
Diametri i hapjeve hyrĂ«se dhe dalĂ«se tĂ« tĂ« dy aparateve STEAM Ă«shtĂ« 120 ÎŒm.
Kompresori i çarçafit Ă«shtĂ« dizajnuar me tre shtresa me lartĂ«si tĂ« barabartĂ« (0.225 mm), tĂ« cilat janĂ« tĂ« pajisura me pllaka nga kuarci i shkrirĂ« (Ï”r =4.41) me gjatĂ«si 0.42 dhe 0.84 mm pĂ«r kontrollin e sinkronizimit temporal. LartĂ«sitĂ« e barabarta tĂ« shtresave tĂ« kompresorit reflektojnĂ« faktin se nuk ndodh ndĂ«rlikim (2s).
NdĂ«rsa nĂ« acceleratin linear, lartĂ«sitĂ« tashmĂ« ndryshojnĂ« â 0.225, 0.225 dhe 0.250 mm (+ pllaka nga kuarci i shkrirĂ« 0.42 dhe 0.84 mm). Rritja e lartĂ«sisĂ« sĂ« shtresĂ«s shpjegon rritjen e shpejtĂ«sisĂ« sĂ« elektronĂ«ve gjatĂ« akcelerimit.
Shkencëtarët vërejnë se numri i shtresave ndikon direkt në funksionalitetin e secilës nga dy pajisjet. Për të arritur një gradë më të lartë përshpejtimi, për shembull, nevojiten më shumë shtresa dhe një konfigurim tjetër lartësish për të optimizuar ndërveprimin.
Rezultatet e eksperimenteve praktike
Së pari, hulumtuesit e kujtojnë se në përshpejtuesit tradicionalë bazuar në radiofrekuencë, ndikimi i gjatësi së kohës së plazmës elektronike të futur në pronat e plazmës së përshpejtuar lidhet me ndryshimin e fushës elektrike që përjetohen gjatë ndërveprimit nga elektronet e ndryshme brenda plazmës, të cilat arrijnë në momente të ndryshme. Kështu, mund të supozohet se fushat me gradient më të lartë dhe plazmat me gjatësi më të madhe do të çojnë në një shpërndarje më të madhe energjie. Plazmat me gjatësi më të madhe gjithashtu mund të çojnë në vlera më të larta. emitancat*.
EmitancĂ«* â hapĂ«sira fazore qĂ« zĂ« plazmĂ«n e pĂ«rshpejtuar tĂ« grimcave tĂ« ngarkuara.
Në rastin e përshpejtuesit teraherc, periudha e fushës së eksitimit është rreth 200 herë më e shkurtër. Prandaj, intensiteti* i fushës së mbajtur do të jetë 10 herë më i lartë.
Intensiteti i fushĂ«s elektrike* â treguesi i fushĂ«s elektrike, qĂ« Ă«shtĂ« marrĂ«dhĂ«nia midis forcĂ«s sĂ« aplikuar nĂ« njĂ« ngarkesĂ« pikĂ« statike, e vendosur nĂ« kĂ«tĂ« pikĂ« tĂ« fushĂ«s, dhe madhĂ«sisĂ« sĂ« kĂ«tij ngarkimi.
Në këtë mënyrë, në një akcelerator teraherc, gradientet e fushës që përjetojnë elektronet mund të jenë disa rendit më të larta se në një pajisje të zakonshme. Koha gjatë së cilës ~krivina e fushës është e dukshme do të jetë ndjeshëm më e shkurtër. Prandaj, kohëzgjatja e grupit të futur të elektroneve do të ketë një ndikim më të dukshëm.
Shkencëtarët vendosën të verifikojnë këto të dhëna teorike në praktikë. Për këtë ata futën grupe elektronësh me gjatësi të ndryshme, e cila kontrollohej nga ngjeshja përmes pajisjes së parë STEAM (SQUEEZE-buncher).
Imazhi Nr. 3
Kur kompresori nuk ishte i lidhur me burimin e energjisĂ«, grupet e elektronĂ«ve (55 keV) me ngarkesĂ« âŒ1 fC (femtokoulon) kalonin rreth 300 mm nga arma elektronike nĂ« pajisjen e akceleratorit linear (STEAM-linac). KĂ«ta elektrone mund tĂ« shtriheshin nĂ«n ndikimin e forcave tĂ« ngarkesĂ«s hapĂ«sinore deri nĂ« njĂ« kohĂ«zgjatje mĂ« shumĂ« se 1000 fs (femtosekonda).
Me një kohëzgjatje të tillë, rrezja elektronike zinte rreth 60% të gjysmëvale të fushës akceleruese me frekuencë 1.7 ps, e cila çonte në një spekter energjie pas akcelerimit me një majë në 115 keV dhe një gjysmëgjerësi të shpërndarjes së energjisë mbi 60 keV (3a).
Për të krahasuar këto rezultate me ato të pritura, u modelua situata e përhapjes së elektronëve përmes një akcelERATORI linear, kur elektronët ishin jashtë sinkronizimit (dmth. nuk përputhen me) në lidhje me kohën optimale të futjes. Llogaritjet e kësaj situate treguan se rritja e energjisë së elektronëve varet shumë nga momenti i futjes deri në shkallën subpikosekondare (3b). Kështu, në konfigurim optimal, elektroni do të përjetojë periudhën e plotë të akcelerimit të rrezatimit teraherc në çdo shtresë (3c).
Por nëse elektronët arrijnë në kohë të ndryshme, ata përjetojnë më pak akcelerim në shtresën e parë, nga e cila u duhet më shumë kohë për ta kaluar. Më pas, jashtë sinkronizimi forcohet në shtresat e mëpasme, duke shkaktuar vonesë të padëshiruar (3d).
Për të minimize efektin negativ të gjatëzgjatjes së kalimeve të elektronëve, pajisja e parë STEAM punoi në modalitetin e ngjeshjes. Gjatësia e kalimit të elektronëve në akceleratorin linear u optimizua në minimum ~ 350 fs (gjysmë-gjerësi) përmes përshtatjes së energjisë teraherce që jepet në kompresor dhe kalimit të akceleratorit linear në modalitetin e skanimit (4b).
Imazhi â4
Gjatësia minimale e kalimit u vendos në përputhje me gjatësi të impulsit UV të fotokatodës, e cila ishte ~ 600 fs. Ndarja midis kompresorit dhe vijës, e cila kufizonte forcën e ngjeshjes për shpejtësinë, kishte gjithashtu një rol të rëndësishëm. Në përgjithësi, këto masa mundësojnë saktësinë femtosekondare të fazës së futjes në fazën e akcelerimit.
NĂ« imazhin 4a ĂshtĂ« e qartĂ« se pĂ«rhapja e energjisĂ« sĂ« rrezeve elektronike tĂ« ngjeshura pas pĂ«rshpejtimit tĂ« optimizuar nĂ« akseleratorin linear zvogĂ«lohet nĂ« ~ 4 herĂ« krahasuar me atĂ« tĂ« ngjeshur. FalĂ« pĂ«rshpejtimit, spektri energjetik i rrezeve tĂ« ngjeshura zhvendoset drejt energjive mĂ« tĂ« larta, ndryshe nga rrezet e ngjeshura. Pika e spektrit energjetik pas pĂ«rshpejtimit arrin rreth 115 keV, ndĂ«rsa bishti me energji tĂ« lartĂ« arrin rreth 125 keV.
Këto rezultate, sipas deklaratave modeste të shkencëtarëve, janë një rekord i ri përshpejtimi (deri në përshpejtim ka qenë 70 keV) në gamën terahertz.
Por, për të zvogëluar përhapjen e energjisë (4a), është e nevojshme të arrihet një rrezë edhe më e shkurtër.
Imazhi nr. 5
Në rastin e rrezes së pa ngjeshur të futur, varësia parabolike e madhësisë së rrezes nga rrjedha zbulon emittancën përparësore në drejtimet horizontale dhe vertikale: Δx,n = 1.703 mm*mrad dhe Δy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Ndërsa ngjeshja, nga ana tjetër, përmirësoi emittancën përparësore në 6 herë deri në Δx,n = 0.285 mm*mrad (horizontal) dhe Δy,n = 0.246 mm*mrad (vertikale).
ĂshtĂ« e rĂ«ndĂ«sishme tĂ« theksohet se shkalla e reduktimit tĂ« emetimit Ă«shtĂ« rreth dyfish mĂ« e madhe se shkalla e shkurtimit tĂ« kohĂ«zgjatjes sĂ« paketĂ«s, e cila Ă«shtĂ« njĂ« masĂ« e jo-linjaritetit tĂ« dinamikĂ«s sĂ« ndĂ«rveprimit me kohĂ«n, kur elektronet pĂ«rjetojnĂ« fokusim dhe defokusim tĂ« fortĂ« tĂ« fushĂ«s magnetike gjatĂ« shpejtimit (5b dhe 5c).
Në imazhin 5b është e qartë se elektronet e futur në kohën optimale përjetojnë tërë gjysmëperiudhën e shpejtimit të fushës elektrike. Ndërkaq, elektronet që arrijnë përpara ose pas momentit optimal përjetojnë shpejtim më të ulët dhe madje ngadalësim të pjesshëm. Si rezultat, këto elektrone marrin më pak energji, në terma të përgjithshëm.
NjĂ« situatĂ« e ngjashme vĂ«rehet edhe nĂ« ndikimin e fushĂ«s magnetike. Elektronet e futur nĂ« kohĂ«n optimale pĂ«rjetojnĂ« njĂ« sasi simetrike tĂ« fushave magnetike pozitive dhe negative. NĂ«se futja e elektronĂ«ve ndodhi para kohĂ«s optimale, kishte mĂ« shumĂ« fusha pozitive dhe mĂ« pak negative. NĂ« rastin e futjes sĂ« elektronĂ«ve pas kohĂ«s optimale â kishte mĂ« pak fusha pozitive dhe mĂ« shumĂ« negative (5c). KĂ«to devijime çojnĂ« nĂ« atĂ« qĂ« elektroni mund tĂ« devijojĂ« majtas, djathtas, lart ose poshtĂ«, nĂ« varĂ«si tĂ« pozicionit tĂ« tij nĂ« raport me boshtin, çka rezulton nĂ« rritjen e impulsit trinor, i cili i korrespondon fokusimit apo defokusimit tĂ« rrezes.
Për një njohje më të detajuar me nuancat e hulumtimit, rekomandoj të shikoni në dhe për të.
Epilogu
Në përmbledhje, performanca e përshpejtuesit do të përmirësohet në rast të reduktimit të gjatësi së rrezes së elektronëve. Në këtë punim, gjatësi e arritshme e rrezes ishte e kufizuar nga geometria e pajisjes. Por, në teori, gjatësi e rrezes mund të arrijë dhe më pak se 100 fs.
Po ashtu, shkencëtarët theksojnë se cilësia e rrezes mund të përmirësohet më tej duke reduktuar lartësinë e shtresave dhe duke rritur numrin e tyre. Megjithatë, ky metodë nuk është pa probleme, veçanërisht në rritjen e kompliksitetit të prodhimit të pajisjes.
Ky punim është një hap fillestar në një studim më të gjerë dhe më të detajuar mbi versionin miniaturë të përshpejtuesit linear. Megjithëse versioni i provuar tashmë tregon rezultate të shkëlqyera që mund të quhen me të drejtë rekord, ka ende shumë punë për të bërë.
FalĂ«nderoj pĂ«r vĂ«mendjen, qĂ«ndroni kuriozĂ« dhe gjithĂ« tĂ« mirat pĂ«r njĂ« javĂ« tĂ« mbarĂ«, guys! đ
Faleminderit që jeni me ne. Ju përqejnë artikujt tanë? Doni të shihni më shumë materiale interesante? Na mbështesni me një porosi ose duke na rekomanduar miqve tuaj, 30% zbritje për përdoruesit e Habra për një alternativë unike të serverëve entry-level, e cila është krijuar nga ne për ju: (disponohen variante me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40GB DDR4).
Dell R730xd pĂ«r dy herĂ« mĂ« lirĂ«? VetĂ«m kĂ«tu nĂ« HolandĂ«! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â nga $99! Lexoni rreth
Burimi: habr.com
