Den vÀlbekanta principen "större betyder kraftigare" har lÀnge varit etablerad inom mÄnga samhÀllsomrÄden, inklusive vetenskap och teknik. Men i dagens verklighet ser vi allt oftare praktiska tillÀmpningar av talesÀttet "liten men kraftfull". Det visar sig bÄde i datorer som tidigare tog upp ett helt rum, men nu fÄr plats i ett barns hand, och i acceleratörer för laddade partiklar. Ja, ni minns den stora hadronkollideraren (LHC), vars imponerande storlek (26 659 m lÄng) bokstavligen framgÄr av namnet? Det Àr redan historia enligt forskare frÄn DESY, som har utvecklat en miniatyrversion av acceleratoren, som i prestanda inte ger avkall pÄ sin fullstora föregÄngare. Dessutom har den miniatyren acceleratorn till och med satt ett nytt vÀrldrekord bland terahertzacceleratorer genom att dubblera energin hos de infogade elektronerna. Hur den miniatyra acceleratorn utvecklades, vilka grundlÀggande principer som ligger bakom dess fungering och vilka resultat de praktiska experimenten visade, kommer forskargruppen att hjÀlpa oss att förstÄ. LÄt oss börja.
Forskningsgrund
Enligt Dongfang Zhang och hans kollegor frÄn DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), som utvecklade miniatyren acceleratorn, spelar ultrahastiga elektronkÀllor en otroligt viktig roll i det moderna samhÀllet. MÄnga av dessa tillÀmpningar syns inom medicin, elektronikutveckling och vetenskaplig forskning. Den största utmaningen för nuvarande linjÀra acceleratorer som anvÀnder radiofrekvensgeneratorer Àr deras höga kostnader, komplexa infrastruktur och stora energibehov. Dessa nackdelar begrÀnsar kraftigt tillgÄngen till sÄdana teknologier för en bredare anvÀndarkrets.
Dessa uppenbara problem utgör en fantastisk drivkraft för utvecklingen av enheter vars dimensioner inte ska orsaka skrÀck, liksom den energi de förbrukar.
Bland relativt nya innovationer inom detta omrÄde kan terahertzacceleratorer nÀmnas, som har ett antal "fördelar":
- det förvÀntas att korta vÄglÀngder och korta pulser av terahertzstrÄlning kommer att kraftigt öka tröskeln för genomtrÀngning*, som orsakas av fÀltet, vilket gör det möjligt att öka accelerationsgradienterna;
Elektriskt genomslag* â en plötslig ökning av strömstyrkan nĂ€r spĂ€nningen överstiger den kritiska nivĂ„n.
- NÀrvaron av effektiva metoder för att generera högfÀlts terahertz strÄlning möjliggör intern synkronisering mellan elektroner och excitationsfÀlt;
- Klassiska metoder kan anvÀndas för att skapa sÄdana enheter, men deras kostnader, produktionstid och storlek kommer att reduceras avsevÀrt.
Forskare anser att deras terahertzaccelerator i millimeter-skala Àr en kompromiss mellan de vanliga acceleratorerna som finns idag och mikroacceleratorerna som utvecklas, men som har mÄnga nackdelar pÄ grund av sina mycket smÄ mÄtt.
Forskarna förnekar inte att teknologin för terahertzacceleration har varit under utveckling under en tid. Men enligt deras uppfattning finns det fortfarande mÄnga aspekter inom detta omrÄde som inte har studerats, verifierats eller implementerats.
I sitt arbete, som vi ska granska idag, visar forskarna möjligheterna med STEAM (segmenterad terahertz elektronaccelerator och manipulator) â en segmenterad terahertz elektronaccelerator och manipulator. STEAM möjliggör att minska lĂ€ngden pĂ„ elektronbunten till sub-pikosekunders varaktighet, vilket ger femtosekundskontroll över accelerationsfasen.
Det har lyckats uppnĂ„ ett accelerationsfĂ€lt pĂ„ 200 MV/m (MV â megavolt), vilket leder till rekordt terahertzacceleration pĂ„ > 70 keV (kiloelektronvolt) frĂ„n den inbĂ€ddade elektronbunten med energin 55 keV. PĂ„ sĂ„ sĂ€tt har accelererade elektroner uppnĂ„tt upp till 125 keV.
Strukturen hos enheten och dess implementering
Bild â1: diagram av den undersökta enheten.
Bild â1-2: a â diagram av den utvecklade 5-lagers segmenterade strukturen, b â förhĂ„llandet mellan berĂ€knad acceleration och riktning för elektronernas spridning.
Elektronbuntar (55 keV) genereras frÄn elektronpistolen* och injiceras i terahertz STEAM-bunchern (buntkompressorn), varefter de gÄr in i STEAM-linac (linjÀr accelerator*).
Elektronpistolen* â en enhet för att generera en bunt av elektroner med nödvĂ€ndig konfiguration och energi.
LinjĂ€r accelerator* â en accelerator dĂ€r laddade partiklar passerar strukturen endast en gĂ„ng, vilket skiljer en linjĂ€r accelerator frĂ„n en cyklisk (till exempel LHC).
BÄda STEAM-enheterna fÄr terahertzimpulser frÄn en laser med nÀra infraröd ljus (NIR), som ocksÄ driver fotokatten för elektronkanonen, vilket resulterar i intern synkronisering mellan elektroner och accelererande fÀlt. Ultravioletimpulser för fotoemission pÄ fotokatten genereras genom tvÄ pÄ varandra följande steg. GVG* grundvÄglÀngden för nÀra infraröd ljus. Denna process omvandlar laserimpulsen med en vÄglÀngd pÄ 1020 nm först till 510 nm och sedan till 255 nm.
GVG* (generering av andra optiska harmoniska) â processen att kombinera fotoner med samma frekvens under interaktion med ett icke-linjĂ€rt material, vilket resulterar i bildandet av nya fotoner med dubbelt sĂ„ mycket energi och frekvens, samt en vĂ„glĂ€ngd som Ă€r dubbelt sĂ„ kort.
Den resterande delen av NIR-laserstrÄlen delas upp i 4 strÄlar som anvÀnds för att generera fyra encykliska terahertzimpulser genom att generera skillnader i interna impulser.
TvÄ terahertzimpulser förs sedan in i varje STEAM-enhet genom symmetriska hornstrukturer som leder terahertzenergin till interaktionsomrÄdet tvÀrs över elektronernas utbredningsriktning.
NÀr elektronerna gÄr in i varje STEAM-enhet utsÀtts de för elektriska och magnetiska komponenter. Lorenzstyrkan*.
Lorenzstyrkan* â kraften med vilken det elektromagnetiska fĂ€ltet pĂ„verkar en laddad partikel.
I det hÀr fallet ansvarar det elektriska fÀltet för accelerationen och inbromsningen, medan det magnetiska fÀltet orsakar tvÀrgÄende avvikelser.
Bild â2
Som vi ser pÄ bilderna 2a och 2b, inuti varje STEAM-enhet Àr terahertzstrÄlarna delade tvÀrs genom tunna metallskikt i flera lager av varierande tjocklek, dÀr varje lager fungerar som en vÄgledare som överför en del av den totala energin till interaktionsomrÄdet. Dessutom finns det dielektriska plattor i varje lager för att anpassa ankomsttiden för terahertz vÄgfronten* till elektronernas front.
VĂ„gfronten* â ytan dit vĂ„gen har nĂ„tt.
BÄda STEAM-enheterna fungerar i elektriskt lÀge, det vill sÀga pÄ ett sÀtt som skapar en överlappning av det elektriska fÀltet och undertryckning av det magnetiska fÀltet i centrum av interaktionsomrÄdet.
I den första enheten Àr elektronerna tidsberÀknade sÄ att de passerar genom nollkorsning* det terahertzfÀltet, dÀr de tidsmÀssiga gradienterna av det elektriska fÀltet Àr maximiserade och det genomsnittliga fÀltet minimerat.
Nollkorsning* Àr punkten dÀr det inte finns nÄgon spÀnning.
Denna konfiguration orsakar en acceleration av svansen pÄ elektronpaketet och en sÀnkning av dess huvud, vilket resulterar i ballistisk longitudinell fokusering (2a och 2s).
I den andra enheten synkroniseras elektronen och terahertzstrÄlningen sÄ att elektronpaketet endast utsÀtts för den negativa cykeln av det terahertz elektriska fÀltet. Denna konfiguration resulterar i ren kontinuerlig acceleration (2b och 2d).
Lasern med NIR-strÄlning pÄminner om ett kryogeniskt kylt Yb:YLF-system, som producerar optiska impulser med en varaktighet av 1.2 ps och en energi pÄ 50 mJ vid en vÄglÀngd av 1020 nm och en repetitionsfrekvens pÄ 10 Hz. Terahertzimpulser med en centralk frekvens pÄ 0.29 terahertz (period pÄ 3.44 ps) genereras med hjÀlp av metod för snedstÀllt frontimpuls.
För att driva STEAM-buncheren (packkompressorn) anvÀndes endast 2 x 50 nJ terahertzenergi, medan för STEAM-linacen (linjÀr accelerator) krÀvdes 2 x 15 mJ.
Diameter pÄ in- och utgÄngshÄlen för bÄda STEAM-enheterna Àr 120 ”m.
Packkompressorn Ă€r designad med tre lager av samma höjd (0.225 mm), som Ă€r försedda med plattor av smĂ€lt kvarts (Ï”r =4.41) pĂ„ 0.42 och 0.84 mm för att kontrollera tidsynkronisering. De lika höjderna pĂ„ kompressorns lager reflekterar det faktum att acceleration inte sker (2s).
Men i den linjĂ€ra acceleratoren skiljer sig höjderna â 0.225, 0.225 och 0.250 mm (+ plattor av smĂ€lt kvarts 0.42 och 0.84 mm). Ăkningen av lagerhöjden förklarar den ökade hastigheten hos elektronerna vid acceleration.
Forskare noterar att antalet lager direkt pÄverkar funktionen hos var och en av de tvÄ enheterna. För att uppnÄ en högre grad av acceleration, till exempel, krÀvs fler lager och en annan konfiguration av höjder för att optimera interaktionen.
Resultaten av praktiska experiment
Först och frÀmst pÄminner forskarna om att i traditionella acceleratorer baserade pÄ radiofrekvenser Àr influensen av den tidiga strÀckan av den infogade elektronstrÄlen pÄ egenskaperna hos den accelererade strÄlen kopplad till förÀndringen av det elektriska fÀltet som upplevs under interaktionen av olika elektroner inom strÄlen, som kommer vid olika tidpunkter. SÄledes kan man anta att fÀlt med större gradienter och strÄlar med lÀngre varaktighet kommer att leda till större spridning av energier. Infogade strÄlar av lÄng varaktighet kan ocksÄ leda till högre vÀrden. emittans*.
Emittans* â det fasrum som den accelererade strĂ„len av laddade partiklar upptar.
I fallet med teraherzacceleratorn Àr perioden för det exciterande fÀltet ungefÀr 200 gÄnger kortare. Följaktligen, intensitet* av det upprÀtthÄllna fÀltet kommer att vara 10 gÄnger högre.
Intensiteten av det elektriska fÀltet* Àr mÄttet pÄ det elektriska fÀltet, lika med förhÄllandet mellan kraften som appliceras pÄ en stillastÄende punktladdning placerad i en viss punkt av fÀltet och storleken pÄ denna laddning.
SÄledes kan fÀltets gradienter, som elektronerna upplever i terahertzacceleratorn, vara flera ordningar högre Àn i en vanlig enhet. Tidskalan dÀr fÀltets krökning Àr mÀrkbar kommer att vara betydligt kortare. Det följer av detta att varaktigheten av den infogade elektronstrÄlen kommer att ha ett mer uttalat intryck.
Forskare beslutade att praktiskt testa dessa teorier. För detta syfte infogade de elektronstrÄlar av olika varaktigheter som kontrollerades genom komprimering med hjÀlp av den första STEAM-enheten (STEAM-buncher).
Bild nr 3
NĂ€r kompressorn inte var ansluten till strömkĂ€llan passerade elektronstrĂ„lar (55 keV) med en laddning av âŒ1 fC (femtokoulomb) ungefĂ€r 300 mm frĂ„n elektronkanonen till den linjĂ€ra acceleratorn (STEAM-linac). Dessa elektroner kunde expandera under pĂ„verkan av rumsliga laddningskrafter upp till varaktigheter av mer Ă€n 1000 fs (femtosekunder).
Vid en sÄdan varaktighet upptog den elektroniska strÄlen cirka 60 % av halvperioden av det accelererande fÀltet med en frekvens pÄ 1,7 ps, vilket ledde till ett energispektrum efter acceleration med en topp vid 115 keV och en halvbredd av energifördelningen pÄ mer Àn 60 keV.3a).
För att jÀmföra dessa resultat med de förvÀntade simulerades en situation för spridning av elektroner genom en linjÀr accelerator, nÀr elektronerna var desynkroniserade (d.v.s. inte i linje med) den optimala tiden för introduktion. BerÀkningarna för en sÄdan situation visade att energiökningen hos elektronerna Àr mycket beroende av introduktionsmomentet ned till subpikosekundspektrumet (3b). Det vill sÀga vid optimal instÀllning kommer elektronen att uppleva hela halvperioden av acceleration frÄn terahertz-strÄlning i varje lager (3s).
. Om elektronerna anlÀnder vid olika tidpunkter, upplever de mindre acceleration i det första lagret, vilket krÀver mer tid för att passera. DÀrefter förstÀrks desynkroniseringen i följande lager, vilket orsakar oönskad fördröjning (3d).
För att minimera den negativa effekten av den temporÀra utstrÀckningen av elektronpaketet arbetade den första STEAM-enheten i komprimeringslÀge. Varaktigheten av elektronpaketet i den linjÀra acceleratoren optimerades till ett minimum pÄ ~ 350 fs (halvbredd) genom att justera terahertz-energin tillförd kompressorn och vÀxla den linjÀra acceleratoren till streckningslÀge (4b).
Bild nr 4
Den minimala varaktigheten för paketet faststÀlldes i enlighet med varaktigheten av UV-pulsen frÄn fotokatoden, vars varaktighet var ~ 600 fs. AvstÄndet mellan kompressorn och strÄlen spelade ocksÄ en viktig roll, vilket begrÀnsade komprimeringskraften i hastighet. Tillsammans möjliggör dessa ÄtgÀrder att uppnÄ femtosekunders precision i fasintroduktion under accelerationssteget.
PÄ bilden 4a Det Àr tydligt att spridningen av energin i det komprimerade elektronpaketet efter optimerad acceleration i den linjÀra acceleratoren minskar med ~ 4 gÄnger jÀmfört med det okomprimerade. Genom accelerationen förflyttas energispektrumet för det komprimerade paketet mot högre energinivÄer, till skillnad frÄn det okomprimerade paketet. Toppen av energispektrumet efter accelerationen ligger omkring 115 keV, och det högenergetiska svansen nÄr cirka 125 keV.
Dessa vÀrden, enligt forskarnas blygsamma pÄstÄende, utgör ett nytt rekord för acceleration (innan accelerationen var 70 keV) inom terahertz-omrÄdet.
Men för att minska energispridningen (4a), mÄste Ànnu kortare paket uppnÄs.
Bild nr 5
I fallet med den okomprimerade injicerade strÄlen, visar den paraboliska beroendet av strÄlens storlek av strömmen den tvÀrgÄende emittansen i horisontella och vertikala riktningar: Δx,n = 1,703 mm*mrad och Δy,n = 1,491 mm*mrad (5a).
Komprimeringen förbÀttrade dÀremot den tvÀrgÄende emittansen med 6 gÄnger till Δx,n = 0,285 mm*mrad (horisontell) och Δy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Det Àr vÀrt att notera att graden av minskning av emittansen Àr ungefÀr dubbelt sÄ stor som graden av förkortning av strÄlens varaktighet, vilket Àr en mÄttstock pÄ icke-lineariteten i dynamiken för tidsinteraktionen, dÄ elektronerna upplever stark fokus och defokusering av det magnetiska fÀltet under accelerationen (5b och 5c).
PÄ bilden 5b det syns att elektroner som injiceras vid rÀtt tidpunkt upplever hela halvvÄgen av det elektriska fÀltet. Men elektroner som anlÀnder före eller efter den optimala tidpunkten upplever mindre acceleration och till och med en viss nedbromsning. Dessa elektroner fÄr dÀrför mindre energi, grovt talat.
En liknande situation observeras Ă€ven under pĂ„verkan av det magnetiska fĂ€ltet. Elektroner som injiceras vid rĂ€tt tidpunkt upplever en symmetrisk mĂ€ngd positiva och negativa magnetfĂ€lt. Om dĂ€remot injektionen av elektroner sker tidigare Ă€n den optimala tidpunkten, sĂ„ fĂ„r det fler positiva fĂ€lt och fĂ€rre negativa. I fallet med insĂ€ttning av elektroner senare Ă€n den optimala tidpunkten â fĂ€rre positiva och fler negativa (5c). Dessa avvikelser leder till att elektronen kan avvika till vĂ€nster, höger, upp eller ner beroende pĂ„ dess position relativt axeln, vilket resulterar i en ökning av det tvĂ€rgĂ„ende momentet, som motsvarar fokusering eller defokusering av strĂ„len.
För en mer detaljerad förstÄelse av forskningsdetaljerna rekommenderar jag att du tittar in i och till detta.
Epilog
Sammanfattningsvis kommer acceleratorsprestanda att öka om varaktigheten av elektronstrÄlen minskar. I detta arbete var den möjliga varaktigheten av strÄlen begrÀnsad av installationens geometri. Men i teorin kan strÄlens varaktighet nÄ mindre Àn 100 fs.
Forskare pÄpekar ocksÄ att kvaliteten pÄ strÄlen kan förbÀttras ytterligare genom att minska lagrens höjd och öka antalet. Denna metod Àr dock inte utan problem, sÀrskilt ökad komplexitet i tillverkningen av enheten.
Detta arbete Àr det första steget i en mer omfattande och detaljerad studie av den miniatyrversion av en linjÀr accelerator. Trots att den testade versionen redan visar utmÀrkta resultat som med rÀtta kan kallas rekordartade, finns det fortfarande mycket arbete kvar.
Tack för uppmĂ€rksamheten, förbliv nyfikna och ha en bra arbetsvecka, grabbar! đ
Tack för att ni stannar med oss. Gillar ni vÄra artiklar? Vill ni se mer intressant material? Stöd oss genom att göra en bestÀllning eller rekommendera oss till vÀnner, 30% rabatt för Habr-anvÀndare pÄ vÄrt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgÀngliga, upp till 24 kÀrnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss i NederlĂ€nderna! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â frĂ„n $99! LĂ€s om
KĂ€lla: habr.com
