Parimi që na është bërë i njohur «më shumë do të thotë më fuqishëm» ka qëndruar prej kohësh në shumë fusha të jetës shoqërore, përfshirë shkencën dhe teknologjinë. Megjithatë, në realitetet e sotme, po shqyrtohet gjithnjë e më shumë realizimi praktike i thashëthimeve «i vogël, por i fuqishëm». Kjo shfaqet si në kompjuterët që dikur zinin një dhomë të tërë, ndërsa tani mund të vendosen në pëllëmbën e një fëmije, ashtu edhe në përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara. Po, kujtohet përshpejtuesi i madh adronik (LHC), dimensionet e mahnitshme të të cilit (26,659 m në gjatësi) janë të shkruara literal në emrin e tij? Kështu që, kjo është tashmë e kaluar sipas shkencëtarëve nga DESY, të cilët kanë zhvilluar një version miniaturë të përshpejtuesit, i cili në parametrat e tij nuk i lë pas përkthyesin e tij të plotë. Për më tepër, përshpejtuesi mini madje ka vendosur një rekord të ri botëror mes përshpejtuesve teraherc, duke dyfishuar energjinë e elektroneve të përfshira. Si u zhvillua përshpejtuesi miniaturë, cilat janë parimet kryesore të veprimit të tij dhe çfarë treguan eksperimentet praktike? Për këtë do të na ndihmojë raporti i grupit hulumtues. Le të shkojmë.
Baza e kërkimit
Sipas Dongfang Zhang dhe kolegëve të tij nga DESY (Senkotroni i Elektronëve të Gjermanisë), të cilët e zhvilluan përshpejtuesin mini, burimet e elektronëve super të shpejtë luajnë një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në jetën moderne. Shumica e tyre shfaqen në mjekësi, zhvillimin e elektronikës dhe në kërkimin shkencor. Problemi më i madh me përshpejtuesit linjarë aktualë që përdorin gjeneratorë radiofrekuencash është kostoja e lartë, kompleksiteti i infrastrukturës dhe kërkesat e mëdha në lidhje me energjinë e konsumuar. Këto mungesa kufizojnë ndjeshëm aksesin ndaj këtyre teknologjive për një rreth më të gjerë përdoruesish.
Këto probleme të dukshme janë një stimul i shkëlqyer për zhvillimin e pajisjeve, të cilat dimensionet e të cilave nuk do të shkaktojnë tmerr, ashtu siç ndodh me nivelin e energjisë së konsumuar.
Ndër risitë relative në këtë fushë, mund të përmenden përshpejtuesit teraherc, të cilët kanë një sërë «përfitimesh»:
- pritet që valët e shkurtra dhe impulsat e shkurtra të rrezatimit teraherc të lejojnë rritjen e dukshme të pragut të thyerjes*, e cila do t'i jep mundësi të rriten gradientet e accelerimit;
Dëmtim elektrik* — një rritje e papritur e forcës së rrymës kur aplikohet një tension mbi kritikun.
- prania e metodave efektive për gjenerimin e rrezatimit të lartë teraherc e lejon realizimin e sinkronizimit të brendshëm midis elektroneve dhe fushave të eksitimit;
- për krijimin e këtyre disa pajisjeve mund të përdoren metoda klasike, por kostoja, koha e prodhimit dhe dimensionet do të reduktohen ndjeshëm.
Shkencëtarët mendojnë se acceleratori i tyre teraherc në shkallë milimetër është një kompromis midis acceleratoreve të zakonshëm që ekzistojnë tani dhe mikro-acceleratoreve që po zhvillohen, por kanë shumë disavantazhe për shkak të dimensioneve të tyre shumë të vogla.
Hulumtuesit nuk e mohojnë se teknologjia e accelerimit teraherc është në zhvillim për një kohë. Megjithatë, sipas tyre, ka ende shumë aspekte në këtë fushë që nuk janë studiuar, verifikuar ose realizuar.
Në veprën e tij, të cilën ne po e shqyrtojmë sot, shkencëtarët tregojnë mundësitë e STEAM (akseleratori dhe manipuluesi segmented teraherc) — akseleratori i segmentuar teraherc i elektronëve dhe manipuluesi. STEAM lejon të reduktojë gjatësi e grumbullit të elektronëve deri në kohëzgjatje subpikosekondësh, duke ofruar kështu kontroll femtoskondor mbi fazën e akcelerimit.
Është arritur një fushë akcelerimi prej 200 MV/m (MV — megavolt), e cila çon në akcelerim teraherc rekord në > 70 keV (kiloelektronvolt) nga grumbulli i integruar i elektronëve me energji 55 keV. Kështu janë marrë elektrone të akceleruar deri në 125 keV.
Struktura e pajisjes dhe realizimi i saj
Imazhi Nr. 1: skema e pajisjes të hulumtuar.
Imazhi Nr. 1-2: a — skema e strukturës së segmentuar me 5 shtresa, b — raporti midis akcelerimit të llogaritur dhe drejtimit të përhapjes së elektronëve.
Grumbujt e elektronëve (55 keV) gjenerohen nga pistoletën elektronike* dhe integrohen në STEAM-buncher teraherc (kompresori i grumbullit), pas së cilës kalojnë në STEAM-linac (acceleratori linear*).
Pistoleta elektronike* — pajisja për gjenerimin e një grumbulli elektronësh me konfigurim dhe energji të nevojshme.
Acceleratori linear* – një përshpejtues, në të cilin pjesëzat e ngarkuara kalojnë strukturën vetëm 1 herë, gjë që e dallon përshpejtuesin linear nga ai ciklik (për shembull, BAK).
Të dy pajisjet STEAM marrin impulset teraherc nga një lazer i dritës infra të kuqe të afërt (NIR), i cili gjithashtu aktivizon fotokathodën e armës elektronike, çka çon në një sinkronizim të brendshëm midis elektroneve dhe fushave përshpejtimi. Impulsit ultraviolet për fotoemision në fotokathodë i gjenerohet nëpërmjet dy fazave të njëpasnjëshme. GHG* gjatësisë kryesore të valës së dritës infra të kuqe të afërt. Ky proces transformon impulsin lazer me gjatësi vale 1020 nm së pari në 510 nm, dhe pastaj në 255 nm.
GHG* (gjenerimi i harmonikës së dytë optike) – procesi i bashkimit të fotoneve me frekuencë të njëjtë gjatë ndërveprimit me një material jo-linear, që çon në formimin e fotoneve të reja me energji dhe frekuencë të dyfishuar, si dhe në një gjatësi vale dyfish më të vogël.
Pjesa e mbetur e rrezes NIR-lazer ndahet në 4 rrezet, të cilat përdoren për të gjeneruar katër impulset teraherc me një cikël përmes gjenerimit të diferencës së frekuencave brenda impulsit.
Dy impulset teraherc më pas i nënshtrohen çdo pajisjeje STEAM përmes strukturave simetrike të brirëve, të cilat drejtojnë energjinë teraherc në zonën e ndërveprimit përballë drejtimit të përhapjes së elektroneve.
Kur elektronet hyjnë në çdo pajisje STEAM, ato i nënshtrohen ndikimit të përbërësve elektrik dhe magnetik. forca e Lorencit*.
Forca e Lorencit* – forca me të cilën fusha elektromagnetike ndikon në një pjesëzat të ngarkuar.
Në këtë rast, fusha elektrike është përgjegjëse për përshpejtimin dhe ngadalësimin, ndërsa fusha magnetike shkakton devijime të përbashkëta.
Imazhi №2
Siç e shohim në imazhe, 2a dhe 2b, brenda çdo pajisjeje STEAM, rrezet teraherc ndahen përmes fletëve të holla metalike në disa shtresa me trashësi të ndryshme, secila prej të cilave vepron si një valëprerës që transferon një pjesë të energjisë totale në zonën e ndërveprimit. Gjithashtu, në çdo shtresë ka pllaka dielektrike për të harmonizuar kohën e ardhjes së valës teraherc fronti i valës* me frontin e elektroneve.
Fronti i valës* – sipërfaqja deri në të cilën ka arritur vala.
Të dy pajisjet STEAM funksionojnë në mod të elektricitetit, domethënë, në mënyrë që të krijojnë një fushë elektrike dhe të shtypin fushën magnetike në qendrën e zonës së ndërveprimit.
Në pajisjen e parë elektronet llogariten në kohë në mënyrë që të kalojnë përmes prerjes së zeros* të fushës teraherce, ku gradienët temporale të fushës elektrike janë maksimalizuar, ndërsa fusha mesatare është minimizuar.
Prerja e zeros* është pika ku nuk ka asnjë tension.
Kjo konfigurim shkakton një përshpejtim të bishtit të grupit të elektroneve dhe ngadalësimin e kokës së tij, e cila çon në fokusin balistik longitudinal (2a dhe 2c).
Në pajisjen e dytë, sinkronizimi i elektronit dhe rrezatimit teraherce vendoset në mënyrë që grupi i elektroneve të përjetojë vetëm ciklin negativ të fushës elektrike teraherce. Kjo konfigurim çon në një përshpejtim të pastër dhe të vazhdueshëm (2b dhe 2d).
Lazeri me rrezatim NIR është i ngjashëm me sistemin Yb:YLF të ftohjes kriogjhenike, i cili jep impulse optike me një gjatësi prej 1.2 ps dhe një energji prej 50 mJ në gjatësi vale 1020 nm dhe frekuencë përsëritjeje 10 Hz. Ndërsa impulsat teraherce me frekuencën qendrore 0.29 teraherce (periudha 3.44 ps) gjenerohen përmes metodës së frontit të pjerrët.
Për fuqizimin e STEAM-buncher (kompresori i grupit) u përdorën vetëm 2 x 50 nJ të energjisë teraherce, ndërsa për STEAM-linac (acceleratori linear) ishin të nevojshme 2 x 15 mJ.
Diametri i hyrjeve dhe daljeve të të dy pajisjeve STEAM është 120 μm.
Kompresori i grupit është projektuar me tre shtresa të lartësisë së njëjtë (0. 225 mm), të cilat janë të pajisura me pllaka prej kuarci të shkrirë (ϵr =4.41) me gjatësi 0.42 dhe 0.84 mm për kontrollin e sinkronizimit temporal. Lartësitë e barabarta të shtresave të kompresorit reflektojnë faktin se nuk ka ndodhur përshpejtim (2c).
Por në acceleraturin linear lartësitë tashmë dallohen — 0.225, 0.225 dhe 0.250 mm (+ pllaka të shkrira kuarci 0.42 dhe 0.84 mm). Rritja e lartësisë së shtresës shpjegon rritjen e shpejtësisë së elektroneve gjatë përshpejtimit.
Shkencëtarët theksojnë se numri i shtresave përgjigjet drejtpërdrejt për funksionalitetin e secilës prej dy pajisjeve. Për të arritur një shkallë më të lartë përshpejtimi, për shembull, do të nevojiten më shumë shtresa dhe një konfigurim tjetër i lartësive për të optimizuar ndërveprimin.
Rezultatet e eksperimenteve praktike
Së pari, hulumtuesit kujtojnë se në akceleratorët tradicionalë të bazuar në frekuenca radiu, ndikimi i kohëzgjatjes së elektronëve të injektuar në vetitë e rrezes së akceleruar lidhet me ndryshimin e fushës elektrike, që përjetojnë elektronët e ndryshëm brenda rrezes, të cilët arrijnë në momente të ndryshme. Prandaj, mund të supozohet se fusha me gradient më të madh dhe rrezatime me një kohëzgjatje më të madhe do të çojnë në një shpërndarje më të madhe energjish. Rrezet e injektuara me kohëzgjatje të madhe gjithashtu mund të çojnë në vlera më të larta. emittancat*.
Emittancë* — hapësira fazore që zë rrezin e akeleruar të pjesëve të ngarkuara.
Në rastin e akceleratorit teraherc, periudha e fushës së eksitimit është rreth 200 herë më e shkurtër. Prandaj, intensiteti* i fushës së mbështetur do të jetë 10 herë më i lartë.
Intensiteti i fushës elektrike* — treguesi i fushës elektrike, i barabartë me raportin e forcës së aplikuar në një ngarkesë pikore të palëvizshme, të vendosur në këtë pikë të fushës, ndaj sasisë së këtij ngarkimi.
Kështu, në akceleratorin teraherc, gradientet e fushës që përjetojnë elektronët, mund të jenë disa rendesh më të larta se në një pajisje normale. Koha gjatë së cilës lakim i fushës është i dukshëm, do të jetë gjithashtu ndjeshëm më i shkurtër. Kjo do të thotë se kohëzgjatja e rrezes së injektuar të elektroneve do të ketë një ndikim më të dukshëm.
Shkencëtarët vendosën ta verifikojnë këtë teori në praktikë. Për këtë, ata injektuan rrezatime elektronësh të ndryshme në kohëzgjatje, e cila u kontrollua me ndihmën e përkëdheljes përmes pajisjes së parë STEAM (STEAM-buncher).
Imazhi Nr. 3
Në rastin kur kompresori nuk ishte i lidhur me burimin e energjisë, rrezatimet e elektroneve (55 këV) me një ngarkesë ∼1 fC (femtokulon) kaluan rreth 300 mm nga armatura elektronike në pajisjen e akceleratorit linear (STEAM-linac). Këto elektrone mund të zgjeroheshin nën ndikimin e forcave të ngarkesës hapësinore deri në kohëzgjatje më shumë se 1000 fs (femtokon).
Me një kohëzgjatje të tillë, rrezja elektronike zinte rreth 60% të gjysmëvalës së fushës akeleruese me frekuencë 1.7 ps, që çonte në një spektrin energjitik pas akelerimit me majë në 115 këV dhe gjysmëgjerësinë e shpërndarjes së energjisë më shumë se 60 këV.3a).
Për të krahasuar këto rezultate me ato të pritura, u modelua situata e shpërndarjes së elektronëve përmes një aceleratori linear, kur elektronët ishin jashtë sinkronizimit (dmth. nuk përputhen) në lidhje me kohën optimale të futjes. Llogaritjet për një situatë të tillë treguan se rritja e energjisë së elektronëve varet shumë nga momenti i futjes deri në shkallën e kohës subpikosekondë.3b. Kështu, me një konfigurim optimal, elektroni do të përjetonte një gjysmë periudhe të plotë të rritjes nga rrezatimi teraherc në çdo sloj.3c).
Por, nëse elektronët arrijnë në kohë të ndryshme, ata përjetojnë një rritje më të vogël në slojin e parë, për çka ata kërkojnë më shumë kohë për ta kaluar atë. Më pas, jashtë sinkronizimi forcohet në slojet e mëpasshme, duke shkaktuar një ngadalësim të padëshiruar.3d).
për të minimizuar efektin negativ të zgjatjes temporale të grumbullit të elektronëve, paisja e parë STEAM punoi në modus të tkurrjes. Kohëzgjatja e grumbullit të elektronëve në akceleratorin linear u optimizua në minimum prej ~ 350 fs (gjysmë gjerësie) përmes rregullimit të energjisë teraherc që i jepet kompresorit dhe kalimit të akceleratorit linear në modusin e vizatimit.4b).
Imazhi Nr. 4
Kohëzgjatja minimale e grumbullit u vendos në përputhje me kohëzgjatjen e impulseve UV të fotokatalizatorit, e cila ishte ~ 600 fs. Një rol të rëndësishëm luajti gjithashtu distanca midis kompresorit dhe rrugës, e cila kufizonte forcën e tkurrjes sipas shpejtësisë. Në përgjithësi, këto masa lejojnë të sigurohet një saktësi femtosekondash në fazën e futjes gjatë akcelerimit.
Në imazh 4a është e dukshme se shpërndarja e energjisë së grumbullit të elektronëve të tkurrur pas akcelerimit të optimizuar në akceleratorin linear bie në ~ 4 herë krahasuar me të papriturin. Për shkak të akcelerimit, spektri energjetik i grumbullit të tkurrur zhvendoset drejt energjive më të larta, në kundërshtim me grumbullin e papritur. Kreu i spektrit energjetik pas akcelerimit është rreth 115 keV, ndërsa bishti me energji të lartë arrin rreth 125 keV.
Këto tregues, sipas një deklarate modeste të shkencëtarëve, janë një rekord i ri në akcelerim (para akcelerimit ishte 70 keV) në intervalin teraherc.
Por, për të reduktuar shpërndarjen e energjisë,4aduhet të arrihet një grumbull edhe më të shkurtër.
Imazhi Nr. 5
Në rastin e paketës së futur pa kompresim, varësia parabolike e madhësisë së paketës nga korrenti zbulon emittancën përçmuese në drejtimet horizontale dhe verticale: εx,n = 1.703 mm*mrad dhe εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresimi, nga ana tjetër, përmirësoi emittancën përçmuese 6 herë deri në εx,n = 0.285 mm*mrad (horizontale) dhe εy,n = 0.246 mm*mrad (vertikale).
Vlen të theksohet se shkalla e reduktimit të emittancës është rreth dy herë më e madhe se shkalla e zvogëlimit të kohëzgjatjes së paketës, e cila është një masë e nelinearitetit të dinamikës së interaksionit me kohën, kur elektronet përjetojnë fokusim të fortë dhe defokusim të fushës magnetike gjatë akcelerimit (5b dhe 5c).
Në imazh 5b është e qartë se elektronet e futur në momentin optimal përjetojnë të gjithë gjysmë periudhën e akcelerimit të fushës elektrike. Ndërsa elektronet që arrijnë para ose pas momentit optimal përjetojnë një akcelerim më të vogël dhe madje një ngadalësim të pjesshëm. Këto elektrone si rezultat marrin më pak energji, në terma të thjeshtë.
Një situatë e ngjashme vërehet edhe në ndikimin e fushës magnetike. Elektronet e futur në momentin optimal përjetojnë një sasi simetrike të fushave magnetike pozitive dhe negative. Nëse futja e elektroneve ndodhte më herët se momenti optimal, atëherë kishte më shumë fusha pozitive dhe më pak negative. Në rastin e futjes së elektroneve pas momentit optimal — më pak fusha pozitive dhe më shumë negative (5c). Këto devijime shkaktojnë që elektroni të devijojë majtas, djathtas, lart ose poshtë në varësi të pozitat në krahasim me boshtin, që ndihmon në rritjen e impulsit përçmues, përkatësisht fokusimit ose defokusimit të rrezeve.
Për një njohje më të detajuar të nuancave të hulumtimit, rekomandoj të shikoni në dhe për të.
Epilogu
Duke e përmbledhur, performanca e akceleratorit do të rritet në rastin e zvogëlimit të kohëzgjatjes së paketës së elektroneve. Në këtë punim, kohëzgjatja e arritshme e paketës ishte e kufizuar nga geometria e instalimit. Por, në teori, kohëzgjatja e paketës mund të arrijë edhe më pak se 100 fs.
Gjithashtu, shkencëtarët theksojnë se cilësia e paketës mund të përmirësohet më tej duke zvogëluar lartësinë e shtresave dhe duke rritur numrin e tyre. Megjithatë, ky metodë nuk është pa probleme, në veçanti për rritjen e kompleksitetit të prodhimit të pajisjes.
Ky ky pun është një hapi fillestar në një studim më të gjerë dhe më të detajuar të versionit miniaturë të përshpejtuesit linear. Megjithëse versioni i testuar tregon tashmë rezultate të shkëlqyera, të cilat mund të quhen me të drejtë rekord, punët akoma kanë shumë.
Faleminderit për vëmendjen, qëndroni kuriozë dhe ju uroj një javë të mbarë të punës, ragazzi! 🙂
Faleminderit që qëndroni me ne. Ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni më shumë materiale interesante? Na mbështetni duke bërë një porosi ose duke na rekomanduar miqve tuaj. 30% zbritje për përdoruesit e Habra në një analog unik të serverëve entry-level, të cilin e kemi shpikur për ju: (opcionet me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40GB DDR4 janë të disponueshme).
Dell R730xd për dy herë më lirë? Vetëm te ne në Holandë! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — nga $99! Lexoni rreth
Burimi: habr.com
