Prinsip akrab "leuwih leuwih kuat" geus lila diadegkeun dina loba séktor masarakat, kaasup sains jeung téhnologi. Sanajan kitu, dina realities modern, beuki sering aya palaksanaan praktis tina nyebutkeun "leutik, tapi daring". Ieu manifests sorangan duanana dina komputer nu saméméhna nyandak hiji sakabéh kamar, sarta ayeuna pas dina lontar anak, sarta dina akselerator partikel. Leres, enya, émut kana Large Hadron Collider (LHC), anu diménsi anu pikaresepeun (panjangna 26 m) sacara harfiah dituduhkeun dina namina? Nya, ieu parantos kapungkur, numutkeun para ilmuwan ti DESY, anu parantos ngembangkeun versi miniatur akselerator, anu tina segi pagelaran henteu langkung handap tina miheulaan ukuranana pinuh na. Leuwih ti éta, akselerator mini malah nyetel rekor dunya anyar diantara akselerator terahertz ku duka kali énergi éléktron implanted. Kumaha akselerator miniatur dikembangkeun, naon prinsip utama operasina, sareng naon anu nunjukkeun percobaan praktis? Laporan grup panalungtikan bakal ngabantosan urang diajar ngeunaan ieu. indit.
Dasar panalungtikan
Numutkeun Dongfang Zhang sareng kolega-Na di DESY (Jerman Electron Synchrotron), anu ngembangkeun mini akselerator, sumber éléktron ultra-gancang maénkeun peran incredibly penting dina masarakat modern. Loba di antarana anu manifested dina ubar, ngembangkeun éléktronika jeung panalungtikan ilmiah. Masalah pangbadagna sareng linac ayeuna anu nganggo osilator RF nyaéta biaya tinggi, pajeulitna infrastruktur, sareng napsu ageung pikeun konsumsi listrik. Sareng kakurangan sapertos kitu ngabatesan kasadiaan téknologi sapertos kitu pikeun sajumlah pangguna anu langkung ageung.
Masalah atra ieu mangrupikeun insentif anu saé pikeun ngembangkeun alat anu henteu matak pikasieuneun dina ukuran, ogé tingkat konsumsi listrik.
Diantara novelties relatif dina industri ieu, akselerator terahertz bisa dibédakeun, nu boga sababaraha "goodies":
- eta diperkirakeun yén gelombang pondok tur pulsa pondok tina radiasi terahertz bakal ngidinan kanaékan signifikan dina bangbarung rinci*, disababkeun ku sawah, anu bakal ningkatkeun gradients akselerasi;
Kasalahan listrik* - paningkatan seukeut dina kakuatan ayeuna nalika tegangan dilarapkeun di luhur kritis.
- kasadiaan metodeu efisien pikeun ngahasilkeun radiasi terahertz lapangan luhur ngamungkinkeun pikeun ngalaksanakeun sinkronisasi internal antara éléktron sareng médan éksitasi;
- métode klasik bisa dipaké pikeun nyieun alat sapertos, tapi ongkos maranéhanana, waktos produksi jeung ukuran bakal greatly ngurangan.
Élmuwan yakin yén akselerator terahertz skala miliméterna mangrupikeun kompromi antara akselerator konvensional anu ayeuna sayogi sareng akselerator mikro anu dikembangkeun, tapi ngagaduhan seueur kalemahan kusabab dimensina anu alit pisan.
Panaliti henteu mungkir yén téknologi akselerasi terahertz parantos dikembangkeun pikeun sababaraha waktos. Sanajan kitu, dina pamadegan maranéhna, masih loba aspék di wewengkon ieu nu teu acan ditalungtik, diuji atawa dilaksanakeun.
Dina karyana, anu urang pertimbangkeun ayeuna, para ilmuwan nunjukkeun kemungkinan STEAM (akselerator éléktron terahertz segmented jeung manipulator) nyaéta akselerator éléktron terahertz ségméntasi jeung manipulator. STEAM ngamungkinkeun pikeun ngurangan panjang sinar éléktron kana durasi sub-picosecond, sahingga nyadiakeun kontrol femtosecond dina fase akselerasi.
Ieu mungkin pikeun ngahontal médan akselerasi 200 MV/m (MV - megavolt), nu ngabalukarkeun catetan akselerasi terahertz tina > 70 keV (kiloelectronvolt) tina hiji sinar éléktron implanted kalawan énergi 55 keV. Ku cara kieu, éléktron gancangan nepi ka 125 keV dicandak.
Struktur alat jeung palaksanaan
Gambar #1: Skéma alat anu ditalungtik.
Gambar No 1-2: a - diagram tina dimekarkeun 5-lapisan struktur segmented, b - babandingan akselerasi diitung sarta arah rambatan éléktron.
Balok éléktron (55 keV) dihasilkeun tina gun éléktron* sarta diwanohkeun kana terahertz STEAM-buncher (beam compressor), nu satutasna dialihkeun ka STEAM-linac (akselerator linier*).
bedil éléktron* - alat pikeun ngahasilkeun pancaran éléktron tina konfigurasi sareng énergi anu diperyogikeun.
Akselerator liniér* - akselerator nu partikel muatan ngaliwatan struktur ngan sakali, nu ngabedakeun akselerator linier ti hiji siklik (contona, LHC).
Kadua alat STEAM nampi pulsa terahertz tina hiji laser infra red (NIR) caket, anu ogé nyéépkeun photocathode bedil éléktron, nyababkeun sinkronisasi internal antara éléktron sareng médan akselerasi. Pulsa ultraviolét pikeun émisi poto dina photocathode dibangkitkeun ngaliwatan dua tahap berturut-turut Gvg* panjang gelombang dasar cahaya infra red deukeut. Proses ieu ngarobih pulsa laser 1020 nm heula ka 510 nm teras ka 255 nm.
Gvg* (generasi harmonik kadua) - prosés ngagabungkeun foton kalawan frékuénsi anu sarua salila interaksi jeung bahan nonlinier, nu ngabalukarkeun formasi foton anyar kalawan dua kali énergi jeung frékuénsi, kitu ogé satengah panjang gelombang.
Sésana bagian tina sinar laser NIR dibagi kana 4 balok, anu dianggo pikeun ngahasilkeun opat pulsa terahertz siklus tunggal ku ngahasilkeun bédana frékuénsi intra-pulsa.
Dua pulsa terahertz teras asupkeun unggal alat STEAM ngaliwatan struktur tanduk simetris anu ngarahkeun énergi terahertz kana daérah interaksi dina arah rambatan éléktron.
Nalika éléktron asup kana unggal alat STEAM, aranjeunna kakeunaan komponén listrik sareng magnét. Pasukan Lorentz*.
gaya Lorentz* nyaéta gaya nu hiji médan éléktromagnétik meta dina partikel boga muatan.
Dina hal ieu, médan listrik tanggung jawab akselerasi jeung deceleration, sedengkeun médan magnét ngabalukarkeun deflections gurat.
Gambar #2
Sakumaha urang tingali dina gambar 2a и 2b, Di jero unggal alat STEAM, balok terahertz dipisahkeun sacara melintang ku lambaran logam ipis kana sababaraha lapisan ketebalan anu béda, anu masing-masing bertindak salaku pandu gelombang, mindahkeun bagian tina total énergi ka daérah interaksi. Ogé, dina unggal lapisan aya pelat diéléktrik pikeun cocog waktu datangna sinyal terahertz. gelombang hareup* kalawan hareup éléktron.
Wavefront* nyaeta permukaan nu gelombang geus ngahontal.
Kadua alat STEAM beroperasi dina modeu listrik, nyaéta, dina cara anu ngahasilkeun médan listrik sareng suprési médan magnét di tengah daérah interaksi.
Dina alat anu munggaran, éléktron-éléktron waktuna ngaliwat nol nyebrang* terahertz, dimana gradién temporal médan listrik dimaksimalkeun sareng médan rata-rata diminimalkeun.
Nol nyebrang* - titik dimana teu aya tegangan.
Konfigurasi ieu nyababkeun buntut sinar éléktron ngagancangan sareng sirahna ngalambatkeun, nyababkeun fokus longitudinal balistik (2a и 2s).
Dina alat anu kadua, sinkronisasi éléktron sareng radiasi terahertz diatur supados sinar éléktron ngan ukur ngalaman siklus négatip tina médan listrik terahertz. Konfigurasi ieu ngahasilkeun akselerasi kontinyu net (2b и 2d).
Laser NIR nyarupaan sistem Yb:YLF anu didinginkeun sacara cryogenically anu ngahasilkeun pulsa optik kalayan durasi 1.2 ps sareng énergi 50 mJ dina panjang gelombang 1020 nm sareng laju pengulangan 10 Hz. Jeung pulsa terahertz kalawan frékuénsi puseur 0.29 terahertz (jaman 3.44 ps) dihasilkeun ku metoda hareup pulsa tilted.
Ngan 2 x 50 nJ énérgi terahertz dipaké pikeun kakuatan STEAM-buncher (beam compressor), sedengkeun 2 x 15 mJ diperlukeun pikeun STEAM-linac (akselerator linier).
Diaméter inlet sareng outlet kadua alat STEAM nyaéta 120 µm.
Kompresor balok dirancang kalayan tilu lapisan anu jangkungna sami (0 mm), anu dilengkepan pelat silika anu lebur (ϵr = 225) panjangna 4.41 sareng 0.42 mm pikeun kontrol waktos. Jangkungna anu sarua tina lapisan compressor ngagambarkeun kanyataan yén euweuh akselerasi lumangsung (2s).
Tapi dina akselerator linier, jangkungna geus béda - 0.225, 0.225 jeung 0.250 mm (+ quartz datar 0.42 na 0.84 mm). Paningkatan dina jangkungna lapisan ngajelaskeun kanaékan laju éléktron salila akselerasi.
Élmuwan dicatet yén jumlah lapisan tanggung jawab langsung pikeun fungsionalitas unggal dua alat. Pikeun ngahontal tingkat akselerasi anu langkung luhur, contona, langkung seueur lapisan sareng konfigurasi jangkungna anu béda bakal diperyogikeun pikeun ngaoptimalkeun interaksi.
Hasil tina percobaan praktis
Anu mimiti, panalungtik ngingetkeun yén dina akselerator basis RF tradisional, pangaruh extent temporal tina sinar éléktron implanted dina sipat balok gancangan pakait sareng parobahan dina médan listrik ngalaman salila interaksi ku éléktron béda dina. beam anjog di waktu nu beda. Ku kituna, bisa dianggap yén widang kalawan gradién badag sarta balok kalayan durasi leuwih panjang bakal ngakibatkeun panyebaran énergi nu leuwih gede. Balok nyuntik lila-lila ogé bisa ngakibatkeun nilai nu leuwih luhur émisi *.
Pancaran * nyaéta rohangan fase anu ditempatan ku sinar gancangan partikel anu boga muatan.
Dina kasus akselerator terahertz, periode médan éksitasi sakitar 200 kali langkung pondok. Ku kituna, tegangan* widang nu dirojong bakal 10 kali leuwih luhur.
Kakuatan médan listrik * - indikator médan listrik, sarua jeung babandingan gaya dilarapkeun ka muatan titik tetep disimpen dina titik nu tangtu dina widang jeung gedena muatan ieu.
Ku kituna, dina akselerator terahertz, gradién médan anu dialaman ku éléktron tiasa sababaraha orde gedéna langkung luhur tibatan dina alat konvensional. Skala waktos dimana kelengkungan lapangan katingali bakal langkung alit dina hal ieu. Kusabab ieu, durasi sinar éléktron anu disuntik bakal gaduh pangaruh anu langkung jelas.
Élmuwan dina prakna mutuskeun pikeun nguji téori ieu. Jang ngalampahkeun ieu, aranjeunna ngawanohkeun balok éléktron tina durasi béda, nu ieu dikawasa ku komprési alatan alat STEAM munggaran (STEAM-buncher).
Gambar #3
Dina kasus nalika compressor teu disambungkeun ka sumber kakuatan, balok éléktron (55 keV) kalawan muatan ~ 1 fC (femtocoulomb) ngumbara kurang leuwih 300 mm ti bedil éléktron ka alat akselerator linier (STEAM-linac). Éléktron ieu bisa ngalegaan dina aksi gaya muatan rohangan nepi ka lilana leuwih ti 1000 fs (femtoseconds).
Kalayan durasi ieu, sinar éléktron nempatan kira-kira 60% tina satengah gelombang médan akselerasi kalayan frékuénsi 1,7 ps, anu nyababkeun spéktrum énergi saatos akselerasi kalayan puncakna dina 115 keV sareng distribusi énergi satengah lebar langkung. ti 60 keV (3a).
Pikeun ngabandingkeun hasil ieu jeung nu dipiharep, kaayaan rambatan éléktron ngaliwatan akselerator linier ieu simulated, nalika éléktron kaluar sinkron (ie, teu cocog) kalayan hormat ka waktu suntik optimal. Itungan kaayaan kitu némbongkeun yén kanaékan énergi éléktron gumantung pisan kana momen bubuka nepi ka skala waktu subpicosecond (3b). Hartina, kalayan tuning optimal, éléktron bakal ngalaman satengah siklus pinuh akselerasi radiasi terahertz dina unggal lapisan (3s).
Lamun éléktron datang dina waktu nu beda-beda, aranjeunna ngalaman kirang akselerasi dina lapisan kahiji, ti mana maranéhna kudu leuwih waktos ngaliwatan eta. Desynchronization lajeng ningkat dina lapisan saterusna, ngabalukarkeun slowdown nu teu dihoyongkeun (3d).
Pikeun ngaleutikan pangaruh négatip tina panjang temporal sinar éléktron, alat STEAM munggaran dioperasikeun dina modeu komprési. Durasi pancaran éléktron dina linac dioptimalkeun ka minimum ~350 fs (satengah-lebar) ku cara nyaluyukeun énergi terahertz anu disayogikeun ka compressor sareng ngalihkeun linac kana mode hatching (4b).
Gambar #4
Durasi pancaran minimum diatur saluyu sareng durasi pulsa UV photocathode, durasina nyaéta ~ 600 fs. Jarak antara compressor jeung strip ogé maénkeun peran penting, nu ngawatesan laju gaya thickening. Dihijikeun, ukuran ieu ngamungkinkeun pikeun mastikeun akurasi femtosecond tina fase suntikan dina tahap akselerasi.
Dina gambar 4a Ieu bisa ditempo yén panyebaran énérgi tina beam éléktron dikomprés sanggeus akselerasi dioptimalkeun dina akselerator linier nurun ku faktor ~ 4 dibandingkeun hiji uncompressed. Alatan akselerasi, spéktrum énergi balok anu dikomprés digeser ka arah énergi anu langkung luhur, kontras sareng sinar anu henteu dikomprés. Puncak spéktrum énergi saatos akselerasi sakitar 115 keV, sareng buntut énergi tinggi ngahontal sakitar 125 keV.
Indikator ieu, numutkeun pernyataan para ilmuwan anu sederhana, mangrupikeun catetan akselerasi énggal (saméméh akselerasi éta 70 keV) dina kisaran terahertz.
Tapi pikeun ngirangan panyebaran énergi (4a), perlu pikeun ngahontal beam malah pondok.
Gambar #5
Dina kasus sinar suntik anu henteu dikomprés, gumantungna arus parabolik tina ukuran balok nembongkeun pancaran transversal dina arah horisontal sareng vertikal: εx,n = 1.703 mm*mrad sareng εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Komprési, sabalikna, ningkatkeun émisi transversal ku faktor 6 ka εx,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) jeung εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Eta sia noting yén darajat panurunan dina emittance nyaeta ngeunaan dua kali leuwih badag batan darajat réduksi dina durasi beam, nu mangrupakeun ukuran nonlinier tina dinamika interaksi jeung waktu, nalika éléktron ngalaman fokus kuat tur defocusing of. médan magnét nalika akselerasi (5b и 5s).
Dina gambar 5b bisa ditempo yén éléktron diwanohkeun dina waktu optimal ngalaman sakabéh satengah siklus tina akselerasi médan listrik. Tapi éléktron nu datang saméméh atawa sanggeus titik waktu optimal ngalaman kirang akselerasi malah deceleration parsial. Éléktron sapertos hasilna nampi kirang énergi, kasarna nyarios.
Kaayaan anu sami dititénan dina pangaruh médan magnét. Éléktron anu disuntik dina waktos anu optimal ngalaman jumlah simetris médan magnét positip sareng négatip. Lamun bubuka éléktron lumangsung saméméh waktu optimal, mangka aya widang leuwih positif jeung leuwih saeutik négatip. Dina kasus introduksi éléktron engké ti waktu optimal, aya kirang positif jeung leuwih négatip (5s). Sarta simpangan sapertos ngakibatkeun kanyataan yén éléktron bisa nyimpang ka kénca, katuhu, kaluhur atanapi kahandap, gumantung kana posisi relatif ka sumbu, nu ngabalukarkeun kanaékan moméntum transverse pakait jeung fokus atawa defocusing tina beam.
Pikeun kenalan anu langkung rinci sareng nuansa pangajaran, kuring nyarankeun ningali и ka anjeunna.
epilog
Nyimpulkeun, produktivitas akselerator bakal ningkat upami durasi sinar éléktron diréduksi. Dina makalah ieu, durasi beam achievable diwatesan ku géométri setelan. Tapi, dina tiori, durasi beam bisa ngahontal kirang ti 100 fs.
Élmuwan ogé nyatet yén kualitas balok tiasa langkung ningkat ku ngirangan jangkungna lapisan sareng ningkatkeun jumlahna. Sanajan kitu, metoda ieu teu tanpa masalah, utamana ngaronjat pajeulitna manufaktur alat.
Karya ieu mangrupa tahap awal ulikan leuwih éksténsif jeung detil rupa versi miniatur tina akselerator linier. Sanaos kanyataan yén versi anu diuji parantos nunjukkeun hasil anu saé, anu leres-leres tiasa disebat catetan, masih seueur padamelan.
Hatur nuhun kana perhatosan anjeun, tetep panasaran sareng wilujeng minggu sadayana! 🙂
Hatur nuhun pikeun tetep sareng kami. Naha anjeun resep artikel kami? Hoyong ningali eusi anu langkung narik? Dukung kami ku cara nempatkeun pesenan atanapi nyarankeun ka babaturan, Diskon 30% pikeun pangguna Habr dina analog unik tina server tingkat éntri, anu diciptakeun ku kami pikeun anjeun: (sadia kalawan RAID1 na RAID10, nepi ka 24 cores sarta nepi ka 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali langkung mirah? Ngan di dieu di Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ti $99! Baca ngeunaan
sumber: www.habr.com