Parimi i njohur i "më shumë është më i fuqishëm" është vendosur prej kohësh në shumë sektorë të shoqërisë, duke përfshirë shkencën dhe teknologjinë. Sidoqoftë, në realitetet moderne, zbatimi praktik i thënies "i vogël, por i fuqishëm" po bëhet gjithnjë e më i zakonshëm. Kjo manifestohet si në kompjuterët, të cilët më parë zinin një dhomë të tërë, por tani futen në pëllëmbën e një fëmije, dhe në përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara. Po, mbani mend Përplasësin e Madh të Hadronit (LHC), dimensionet mbresëlënëse të të cilit (26 m në gjatësi) tregohen fjalë për fjalë në emrin e tij? Pra, kjo është tashmë një gjë e së kaluarës sipas shkencëtarëve nga DESY, të cilët kanë zhvilluar një version në miniaturë të përshpejtuesit, i cili nuk është inferior në performancë ndaj paraardhësit të tij me madhësi të plotë. Për më tepër, mini-përshpejtuesi madje vendosi një rekord të ri botëror midis përshpejtuesve terahertz, duke dyfishuar energjinë e elektroneve të ngulitura. Si u zhvillua përshpejtuesi miniaturë, cilat janë parimet bazë të funksionimit të tij dhe çfarë kanë treguar eksperimentet praktike? Raporti i grupit kërkimor do të na ndihmojë të zbulojmë këtë. Shkoni.
Baza e studimit
Sipas Dongfang Zhang dhe kolegëve të tij në DESY (German Electron Synchrotron), të cilët zhvilluan mini-përshpejtuesin, burimet ultra të shpejta të elektroneve luajnë një rol tepër të rëndësishëm në jetën e shoqërisë moderne. Shumë prej tyre shfaqen në mjekësi, zhvillimin e elektronikës dhe kërkimin shkencor. Problemi më i madh me përshpejtuesit aktualë linearë që përdorin oshilatorët e frekuencës radio është kostoja e tyre e lartë, infrastruktura komplekse dhe konsumi mbresëlënës i energjisë. Dhe mangësi të tilla kufizojnë shumë disponueshmërinë e teknologjive të tilla për një gamë më të gjerë përdoruesish.
Këto probleme të dukshme janë një nxitje e madhe për të zhvilluar pajisje, madhësia dhe konsumi i energjisë i të cilave nuk do të shkaktojnë tmerr.
Ndër risitë relative në këtë industri janë përshpejtuesit terahertz, të cilët kanë një sërë "përfitimesh":
- Pritet që valët e shkurtra dhe pulset e shkurtra të rrezatimit terahertz do të rrisin ndjeshëm pragun Thyej*, shkaktuar nga fusha, e cila do të rrisë gradientët e nxitimit;
Defekte elektrike* - një rritje e mprehtë e fuqisë së rrymës kur aplikohet një tension mbi kritik.
- prania e metodave efektive për gjenerimin e rrezatimit terahertz me fushë të lartë lejon sinkronizimin e brendshëm midis elektroneve dhe fushave të ngacmimit;
- Metodat klasike mund të përdoren për të krijuar pajisje të tilla, por kostoja, koha e prodhimit dhe madhësia e tyre do të reduktohen shumë.
Shkencëtarët besojnë se përshpejtuesi i tyre terahertz në shkallë milimetri është një kompromis midis përshpejtuesve konvencionalë që janë aktualisht në dispozicion dhe mikro-përshpejtuesve që janë duke u zhvilluar, por kanë shumë disavantazhe për shkak të dimensioneve të tyre shumë të vogla.
Studiuesit nuk e mohojnë se teknologjia e përshpejtimit terahertz ka qenë në zhvillim për disa kohë. Megjithatë, sipas tyre, ka ende shumë aspekte në këtë fushë që nuk janë studiuar, testuar apo zbatuar.
Në punën e tyre, të cilën ne po shqyrtojmë sot, shkencëtarët demonstrojnë aftësitë e STEAM (përshpejtuesi dhe manipuluesi i elektroneve të segmentuar terahertz) - një përshpejtues dhe manipulues i elektroneve të segmentuar terahertz. STEAM bën të mundur reduktimin e gjatësisë së rrezes së elektronit në kohëzgjatje nënpikosekondë, duke siguruar kështu kontrollin femtosekond mbi fazën e nxitimit.
Ishte e mundur të arrihet një fushë nxitimi prej 200 MV/m (MV - megavolt), e cila çon në një nxitim rekord terahertz prej > 70 keV (kiloelektronvolt) nga tufa e integruar e elektroneve me një energji prej 55 keV. Në këtë mënyrë u përftuan elektrone të përshpejtuara deri në 125 keV.
Struktura dhe zbatimi i pajisjes
Imazhi nr. 1: diagrami i pajisjes në studim.
Imazhi nr. 1-2: a - diagrami i strukturës së zhvilluar të segmentuar me 5 shtresa, b - raporti i nxitimit të llogaritur dhe drejtimit të përhapjes së elektroneve.
Nga gjenerohen trarët elektrone (55 keV). armë elektronike * dhe futen në terahertz STEAM-buncher (kompresor rreze), pas së cilës ato kalojnë në STEAM-linac (përshpejtues linear*).
armë elektronike* - një pajisje për gjenerimin e një rreze elektronesh të konfigurimit dhe energjisë së kërkuar.
Përshpejtues linear* - një përshpejtues në të cilin grimcat e ngarkuara kalojnë nëpër strukturë vetëm një herë, gjë që dallon një përshpejtues linear nga ai ciklik (për shembull, LHC).
Të dy pajisjet STEAM marrin impulse terahertz nga një lazer i vetëm afër infra të kuqe (NIR), i cili gjithashtu ndez fotokatodën e armës elektronike, duke rezultuar në sinkronizim të brendshëm midis elektroneve dhe fushave përshpejtuese. Impulset ultraviolet për emetimin e fotove në fotokatodë gjenerohen përmes dy fazave të njëpasnjëshme GVG* gjatësia themelore e valës së dritës afër infra të kuqe. Ky proces konverton një impuls lazer 1020 nm fillimisht në 510 nm dhe më pas në 255 nm.
GVG* (gjenerimi i harmonisë së dytë optike) është procesi i kombinimit të fotoneve me të njëjtën frekuencë gjatë bashkëveprimit me një material jolinear, i cili çon në formimin e fotoneve të reja me dyfishin e energjisë dhe frekuencës, si dhe gjysmën e gjatësisë valore.
Pjesa e mbetur e rrezes lazer NIR ndahet në 4 rreze, të cilat përdoren për të gjeneruar katër impulse terahertz me një cikël të vetëm duke gjeneruar diferenca të frekuencës brenda pulsit.
Dy pulset terahertz i dërgohen më pas çdo pajisjeje STEAM përmes strukturave simetrike të bririt që drejtojnë energjinë e terahercit në rajonin e ndërveprimit përgjatë drejtimit të përhapjes së elektroneve.
Kur elektronet hyjnë në secilën pajisje STEAM, ato ekspozohen ndaj komponentëve elektrikë dhe magnetikë forcat e Lorencit*.
Forca e Lorencit* - forca me të cilën fusha elektromagnetike vepron në një grimcë të ngarkuar.
Në këtë rast, fusha elektrike është përgjegjëse për nxitimin dhe ngadalësimin, dhe fusha magnetike shkakton devijime anësore.
Imazhi numër 2
Siç e shohim në imazhe 2a и 2b, Brenda çdo pajisjeje STEAM, trarët e terahercit ndahen në mënyrë tërthore nga fletë metalike të holla në disa shtresa me trashësi të ndryshme, secila prej të cilave vepron si një përcjellës valësh, duke transferuar një pjesë të energjisë totale në rajonin e ndërveprimit. Ekzistojnë gjithashtu pllaka dielektrike në secilën shtresë për të koordinuar kohën e mbërritjes së terahercit ballë valë* me pjesën e përparme të elektroneve.
Fronti i valës* - sipërfaqja në të cilën ka arritur vala.
Të dy pajisjet STEAM funksionojnë në mënyrë elektrike, domethënë në mënyrë të tillë që të imponojnë një fushë elektrike dhe të shtypin një fushë magnetike në qendër të zonës së ndërveprimit.
Në pajisjen e parë, elektronet janë caktuar për të kaluar kalim zero* fushë terahertz, ku gradientët kohorë të fushës elektrike janë maksimizuar dhe fusha mesatare është minimizuar.
Kalim zero* - një pikë ku nuk ka tension.
Ky konfigurim bën që bishti i rrezes elektronike të përshpejtohet dhe koka e tij të ngadalësohet, duke rezultuar në fokusimin gjatësor balistik (2a и Vitet 2).
Në pajisjen e dytë, sinkronizimi i rrezatimit elektron dhe teraherz është vendosur në mënyrë që tufa elektronike të përjetojë vetëm një cikël negativ të fushës elektrike terahertz. Ky konfigurim rezulton në një nxitim neto të vazhdueshëm (2b и 2d).
Lazeri NIR është një sistem Yb:YLF i ftohur në mënyrë kriogjenike që prodhon impulse optike me kohëzgjatje 1.2 ps dhe energji 50 mJ në një gjatësi vale prej 1020 nm dhe një shkallë përsëritjeje prej 10 Hz. Dhe impulset terahertz me një frekuencë qendrore prej 0.29 terahertz (periudha prej 3.44 ps) gjenerohen me metodën e përparme të pulsit të prirur.
Për të fuqizuar STEAM-buncher (kompresor rreze) u përdorën vetëm 2 x 50 nJ energji terahertz dhe STEAM-linac (përshpejtuesi linear) kërkoi 2 x 15 mJ.
Diametri i vrimave hyrëse dhe dalëse të të dy pajisjeve STEAM është 120 mikron.
Kompresori i rrezes është projektuar me tre shtresa me lartësi të barabartë (0 mm), të cilat janë të pajisura me pllaka silicë të shkrirë (εr = 225) me gjatësi 4.41 dhe 0.42 mm për të kontrolluar kohën. Lartësitë e barabarta të shtresave të kompresorit pasqyrojnë faktin që nuk ka nxitim (Vitet 2).
Por në përshpejtuesin linear lartësitë janë tashmë të ndryshme - 0.225, 0.225 dhe 0.250 mm (+ pllaka kuarci të shkrirë 0.42 dhe 0.84 mm). Një rritje në lartësinë e shtresës shpjegon rritjen e shpejtësisë së elektroneve gjatë nxitimit.
Shkencëtarët vërejnë se numri i shtresave është drejtpërdrejt përgjegjës për funksionalitetin e secilës prej dy pajisjeve. Arritja e shkallëve më të larta të nxitimit, për shembull, do të kërkonte më shumë shtresa dhe konfigurime të ndryshme lartësie për të optimizuar ndërveprimin.
Rezultatet e eksperimenteve praktike
Së pari, studiuesit kujtojnë se në përshpejtuesit tradicionalë të frekuencës së radios, efekti i shtrirjes së përkohshme të rrezes elektronike të ngulitur në vetitë e rrezes së përshpejtuar është për shkak të ndryshimit në fushën elektrike të përjetuar gjatë bashkëveprimit të elektroneve të ndryshme brenda rrezes që arrin. në kohë të ndryshme. Kështu, mund të pritet që fushat me gradient më të lartë dhe trarët me kohëzgjatje më të gjatë do të çojnë në një përhapje më të madhe të energjisë. Trarët e injektuar me kohëzgjatje të gjatë mund të çojnë gjithashtu në vlera më të larta emetimet *.
Emitanca* - hapësira fazore e zënë nga një rreze e përshpejtuar e grimcave të ngarkuara.
Në rastin e një përshpejtuesi terahertz, periudha e fushës së ngacmimit është afërsisht 200 herë më e shkurtër. Prandaj, tension* fusha e mbështetur do të jetë 10 herë më e lartë.
Forca e fushës elektrike* - një tregues i fushës elektrike, i barabartë me raportin e forcës së aplikuar në një ngarkesë pikë të palëvizshme të vendosur në një pikë të caktuar të fushës me madhësinë e kësaj ngarkese.
Kështu, në një përshpejtues terahertz, gradientët e fushës të përjetuara nga elektronet mund të jenë disa renditje të madhësisë më të larta se në një pajisje konvencionale. Shkalla kohore në të cilën vërehet lakimi i fushës do të jetë dukshëm më i vogël. Nga kjo rrjedh se kohëzgjatja e rrezes elektronike të futur do të ketë një efekt më të theksuar.
Shkencëtarët vendosën t'i testojnë këto teori në praktikë. Për ta bërë këtë, ata prezantuan rreze elektronike me kohëzgjatje të ndryshme, të cilat kontrolloheshin me anë të kompresimit duke përdorur pajisjen e parë STEAM (STEAM-buncher).
Imazhi numër 3
Në rastin kur kompresori nuk ishte i lidhur me një burim energjie, rrezet e elektroneve (55 keV) me një ngarkesë prej ~ 1 fC (femtocoulomb) kaluan afërsisht 300 mm nga arma elektronike në pajisjen e përshpejtuesit linear (STEAM-linac). Këto elektrone mund të zgjerohen nën ndikimin e forcave të ngarkesës hapësinore deri në një kohëzgjatje prej më shumë se 1000 fs (femtosekonda).
Në këtë kohëzgjatje, tufa elektronike zinte rreth 60% të gjysmës së gjatësisë valore të fushës përshpejtuese me një frekuencë prej 1,7 ps, duke rezultuar në një spektër energjie pas nxitimit me një kulm në 115 keV dhe një gjysmë gjerësi të shpërndarjes së energjisë më e madhe se 60 keV (3a).
Për të krahasuar këto rezultate me ato të pritura, situata e përhapjes së elektroneve përmes një përshpejtuesi linear u simulua kur elektronet ishin jashtë sinkronizimit me (d.m.th., jashtë sinkronizimit me) kohën optimale të injektimit. Llogaritjet e kësaj situate treguan se rritja e energjisë së elektronit është shumë e varur nga momenti i injektimit, deri në një shkallë kohore nënpikosekondë (3b). Kjo do të thotë, me një vendosje optimale, elektroni do të përjetojë një gjysmë cikël të plotë të përshpejtimit të rrezatimit terahertz në secilën shtresë (Vitet 3).
Nëse elektronet mbërrijnë në kohë të ndryshme, ata përjetojnë më pak nxitim në shtresën e parë, gjë që i bën ata të marrin më shumë kohë për të udhëtuar nëpër të. Desinkronizimi më pas rritet në shtresat e mëposhtme, duke shkaktuar ngadalësim të padëshiruar (3d).
Për të minimizuar efektin negativ të zgjatjes së përkohshme të rrezes elektronike, pajisja e parë STEAM funksionoi në modalitetin e kompresimit. Kohëzgjatja e rrezes së elektroneve në linac u optimizua në një minimum prej ~ 350 fs (gjysmë gjerësi) duke akorduar energjinë terahertz të furnizuar në kompresor dhe duke kaluar linac në modalitetin e çeljes (4b).
Imazhi numër 4
Kohëzgjatja minimale e rrezes u vendos në përputhje me kohëzgjatjen e pulsit UV të fotokatodës, e cila ishte ~ 600 fs. Distanca midis kompresorit dhe shiritit gjithashtu luajti një rol të rëndësishëm, i cili kufizoi shpejtësinë e forcës së trashjes. Së bashku, këto masa mundësojnë saktësi femtosekondë në fazën e injektimit të fazës së përshpejtimit.
Në imazh 4a mund të shihet se përhapja e energjisë e rrezes së kompresuar të elektronit pas nxitimit të optimizuar në një përshpejtues linear zvogëlohet me ~ 4 herë në krahasim me atë të pakompresuar. Për shkak të nxitimit, spektri i energjisë i rrezes së ngjeshur zhvendoset drejt energjive më të larta, në kontrast me rrezen e pangjeshur. Kulmi i spektrit të energjisë pas nxitimit është rreth 115 keV, dhe bishti me energji të lartë arrin rreth 125 keV.
Këto shifra, sipas deklaratës modeste të shkencëtarëve, janë një rekord i ri nxitimi (para nxitimit ishte 70 keV) në intervalin e terahercit.
Por për të reduktuar shpërndarjen e energjisë (4a), duhet të arrihet një tra edhe më i shkurtër.
Imazhi numër 5
Në rastin e një rreze të futur të pakompresuar, varësia parabolike e madhësisë së rrezes nga rryma zbulon emetimin tërthor në drejtimet horizontale dhe vertikale: εx,n = 1.703 mm*mrad dhe εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompresimi, nga ana tjetër, përmirësoi emetimin tërthor me 6 herë në εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontale) dhe εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikale).
Vlen të përmendet se shkalla e reduktimit të emetimit është afërsisht dy herë më e madhe se shkalla e zvogëlimit të kohëzgjatjes së rrezes, e cila është një masë e jolinearitetit të dinamikës së ndërveprimit me kohën kur elektronet përjetojnë fokusim dhe defokusim të fortë të fushës magnetike gjatë nxitimit (5b и Vitet 5).
Në imazh 5b Mund të shihet se elektronet e futura në kohën optimale përjetojnë të gjithë gjysmëciklin e nxitimit të fushës elektrike. Por elektronet që mbërrijnë para ose pas kohës optimale përjetojnë më pak nxitim dhe madje ngadalësim të pjesshëm. Elektrone të tilla përfundojnë me më pak energji, përafërsisht.
Një situatë e ngjashme vërehet kur ekspozohet ndaj një fushe magnetike. Elektronet e injektuara në kohën optimale përjetojnë sasi simetrike të fushave magnetike pozitive dhe negative. Nëse futja e elektroneve ka ndodhur para kohës optimale, atëherë ka pasur më shumë fusha pozitive dhe më pak negative. Nëse elektronet futen më vonë se koha optimale, do të ketë më pak pozitive dhe më shumë negative (Vitet 5). Dhe devijime të tilla çojnë në faktin se elektroni mund të devijojë majtas, djathtas, lart ose poshtë, në varësi të pozicionit të tij në lidhje me boshtin, gjë që çon në një rritje të momentit tërthor që korrespondon me fokusimin ose defokusimin e rrezes.
Për një kuptim më të detajuar të nuancave të studimit, unë rekomandoj t'i hidhni një sy и atij
epilog
Si përmbledhje, performanca e përshpejtuesit do të rritet nëse kohëzgjatja e rrezes së elektroneve zvogëlohet. Në këtë punë, kohëzgjatja e arritshme e rrezes ishte e kufizuar nga gjeometria e instalimit. Por, në teori, kohëzgjatja e rrezes mund të arrijë më pak se 100 fs.
Shkencëtarët gjithashtu vërejnë se cilësia e rrezes mund të përmirësohet më tej duke zvogëluar lartësinë e shtresave dhe duke rritur numrin e tyre. Sidoqoftë, kjo metodë nuk është pa probleme, veçanërisht duke rritur kompleksitetin e prodhimit të pajisjes.
Kjo punë është faza fillestare e një studimi më të gjerë dhe më të detajuar të një versioni miniaturë të një përshpejtuesi linear. Pavarësisht se versioni i testuar tashmë po tregon rezultate të shkëlqyera, të cilat me të drejtë mund të quhen rekorde, ka ende shumë punë për të bërë.
Faleminderit për leximin, qëndroni kurioz dhe ju uroj një javë të mbarë djema! 🙂
Faleminderit që qëndruat me ne. A ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni përmbajtje më interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar miqve, 30% zbritje për përdoruesit e Habr në një analog unik të serverëve të nivelit të hyrjes, i cili u shpik nga ne për ju: (e disponueshme me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 herë më lirë? Vetëm këtu në Holandë! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - nga 99 dollarë! Lexoni rreth
Burimi: www.habr.com