Den välbekanta principen om "mer är kraftfullare" har länge etablerats i många samhällssektorer, inklusive vetenskap och teknik. Men i moderna verkligheter blir den praktiska implementeringen av talesättet "liten, men mäktig" mer och mer vanligt. Detta manifesteras både i datorer, som tidigare tog ett helt rum, men nu ryms i handflatan på ett barn, och i laddade partikelacceleratorer. Ja, minns du Large Hadron Collider (LHC), vars imponerande dimensioner (26 659 m i längd) bokstavligen anges i dess namn? Så detta är redan ett minne blott enligt forskare från DESY, som har utvecklat en miniatyrversion av acceleratorn, som inte är sämre i prestanda än sin föregångare i full storlek. Dessutom satte miniacceleratorn till och med ett nytt världsrekord bland terahertzacceleratorer, vilket fördubblade energin hos de inbäddade elektronerna. Hur utvecklades miniatyracceleratorn, vilka är de grundläggande principerna för dess funktion och vad har praktiska experiment visat? Forskningsgruppens rapport kommer att hjälpa oss att ta reda på detta. Gå.
Forskningsunderlag
Enligt Dongfang Zhang och hans kollegor på DESY (tysk elektronsynkrotron), som utvecklade miniacceleratorn, spelar ultrasnabba elektronkällor en otroligt viktig roll i det moderna samhällets liv. Många av dem förekommer inom medicin, elektronikutveckling och vetenskaplig forskning. Det största problemet med nuvarande linjäracceleratorer som använder radiofrekvensoscillatorer är deras höga kostnad, komplexa infrastruktur och imponerande strömförbrukning. Och sådana brister begränsar i hög grad tillgången till sådan teknik för ett bredare spektrum av användare.
Dessa uppenbara problem är ett stort incitament att utveckla enheter vars storlek och strömförbrukning inte kommer att orsaka skräck.
Bland de relativa nyheterna i denna industri finns terahertzacceleratorer, som har ett antal "fördelar":
- Det förväntas att korta vågor och korta pulser av terahertzstrålning kommer att öka tröskeln avsevärt bryta ner*, orsakad av fältet, vilket kommer att öka accelerationsgradienterna;
Elektriskt haveri* - en kraftig ökning av strömstyrkan när en spänning över kritisk läggs på.
- närvaron av effektiva metoder för att generera högfälts-terahertzstrålning möjliggör intern synkronisering mellan elektroner och excitationsfält;
- Klassiska metoder kan användas för att skapa sådana enheter, men deras kostnad, produktionstid och storlek kommer att minska kraftigt.
Forskare tror att deras terahertzaccelerator i millimeterskala är en kompromiss mellan konventionella acceleratorer som för närvarande finns tillgängliga och mikroacceleratorer som utvecklas, men har många nackdelar på grund av deras mycket små dimensioner.
Forskare förnekar inte att terahertz accelerationsteknologi har varit under utveckling under en tid. Men enligt deras uppfattning finns det fortfarande många aspekter inom detta område som inte har studerats, testats eller implementerats.
I sitt arbete, som vi överväger i dag, visar forskare förmågan hos STEAM (segmenterad terahertz elektronaccelerator och manipulator) - en segmenterad terahertz-elektronaccelerator och manipulator. STEAM gör det möjligt att reducera längden på elektronstrålen till en varaktighet under pikosekunder, vilket ger femtosekundskontroll över accelerationsfasen.
Det var möjligt att uppnå ett accelerationsfält på 200 MV/m (MV - megavolt), vilket leder till en rekordstor terahertzacceleration på > 70 keV (kiloeelektronvolt) från den inbäddade elektronstrålen med en energi på 55 keV. På detta sätt erhölls accelererade elektroner upp till 125 keV.
Enhetsstruktur och implementering
Bild nr 1: diagram över enheten som studeras.
Bild nr. 1-2: a - diagram av den utvecklade 5-lagers segmenterade strukturen, b - förhållandet mellan den beräknade accelerationen och riktningen för elektronens utbredning.
Elektronstrålar (55 keV) genereras från elektronpistol* och förs in i terahertz STEAM-buncher (strålekompressor), varefter de passerar in i STEAM-linac (linjär accelerator*).
Elektronpistol* — En anordning för att generera en elektronstråle med den erforderliga konfigurationen och energin.
Linjäraccelerator* - en accelerator där laddade partiklar passerar genom strukturen endast en gång, vilket skiljer en linjär accelerator från en cyklisk (till exempel LHC).
Båda STEAM-enheterna tar emot terahertz-pulser från en enda nära-infraröd (NIR) laser, som också avfyrar elektronkanonens fotokatod, vilket resulterar i intern synkronisering mellan elektroner och accelererande fält. Ultravioletta pulser för fotoemission vid fotokatoden genereras genom två på varandra följande steg GVG* grundläggande våglängd för nära-infrarött ljus. Denna process omvandlar en 1020 nm laserpuls först till 510 nm och sedan till 255 nm.
GVG* (optisk andra övertonsgenerering) är processen att kombinera fotoner med samma frekvens under interaktion med ett olinjärt material, vilket leder till bildandet av nya fotoner med dubbel energi och frekvens, samt halva våglängden.
Återstoden av NIR-laserstrålen delas upp i 4 strålar, som används för att generera fyra enkelcykel-terahertz-pulser genom att generera intra-pulsfrekvensskillnader.
De två terahertz-pulserna levereras sedan till varje STEAM-anordning genom symmetriska hornstrukturer som riktar terahertz-energin in i interaktionsområdet i riktningen för elektronutbredning.
När elektroner kommer in i varje STEAM-enhet utsätts de för elektriska och magnetiska komponenter Lorentz tvingar*.
Lorentz kraft* - den kraft med vilken det elektromagnetiska fältet verkar på en laddad partikel.
I detta fall är det elektriska fältet ansvarigt för acceleration och retardation, och magnetfältet orsakar laterala avböjningar.
Bild #2
Som vi ser på bilderna 2a и 2b, Inuti varje STEAM-anordning är terahertzstrålarna uppdelade i tvärriktningen av tunna metallplåtar i flera lager av varierande tjocklek, som vart och ett fungerar som en vågledare och överför en del av den totala energin till interaktionsområdet. Det finns också dielektriska plattor i varje lager för att koordinera ankomsttiden för terahertz vågfront* med framsidan av elektroner.
Vågfront* - den yta som vågen har nått.
Båda STEAM-anordningarna arbetar i elektriskt läge, det vill säga på ett sådant sätt att de pålägger ett elektriskt fält och undertrycker ett magnetfält i mitten av interaktionsområdet.
I den första enheten är elektroner tidsinställda att passera igenom nollpassage* terahertzfält, där tidsgradienter för det elektriska fältet maximeras och medelfältet minimeras.
Nollkorsning* - en punkt där det inte finns någon spänning.
Denna konfiguration får elektronstrålens svans att accelerera och dess huvud att retardera, vilket resulterar i ballistisk longitudinell fokusering (2a и 2s).
I den andra enheten är synkroniseringen av elektron- och terahertzstrålningen inställd så att elektronstrålen endast upplever en negativ cykel av det elektriska terahertzfältet. Denna konfiguration resulterar i en kontinuerlig nettoacceleration (2b и 2d).
NIR-lasern är ett kryogeniskt kylt Yb:YLF-system som producerar optiska pulser på 1.2 ps varaktighet och 50 mJ energi vid en våglängd på 1020 nm och en repetitionshastighet på 10 Hz. Och terahertz-pulser med en central frekvens på 0.29 terahertz (period på 3.44 ps) genereras av metoden med lutande pulsfront.
För att driva STEAM-bunchern (strålekompressorn) användes endast 2 x 50 nJ terahertzenergi, och STEAM-linac (linjäracceleratorn) krävde 2 x 15 mJ.
Diametern på inlopps- och utloppshålen på båda STEAM-enheterna är 120 mikron.
Strålkompressorn är konstruerad med tre lager av samma höjd (0 mm), som är utrustade med fused silica-plattor (ϵr = 225) med längden 4.41 och 0.42 mm för att styra timing. De lika höjderna på kompressorlagren återspeglar det faktum att det inte finns någon acceleration (2s).
Men i linjäracceleratorn är höjderna redan olika - 0.225, 0.225 och 0.250 mm (+ smälta kvartsplattor 0.42 och 0.84 mm). En ökning av skiktets höjd förklarar ökningen av elektronernas hastighet under acceleration.
Forskare noterar att antalet lager är direkt ansvarigt för funktionaliteten hos var och en av de två enheterna. Att uppnå högre accelerationshastigheter skulle till exempel kräva fler lager och olika höjdkonfigurationer för att optimera interaktionen.
Resultat av praktiska experiment
För det första påminner forskarna om att i traditionella radiofrekvensacceleratorer beror effekten av den inbäddade elektronstrålens tidsmässiga utsträckning på egenskaperna hos den accelererade strålen på förändringen i det elektriska fältet som upplevs under interaktionen mellan olika elektroner inom strålen som anländer vid olika tidpunkter. Det kan alltså förväntas att fält med högre gradienter och strålar med längre varaktighet leder till en större energispridning. Injicerade strålar av lång varaktighet kan också leda till högre värden utsläpp*.
Emittans* — fasutrymme som upptas av en accelererad stråle av laddade partiklar.
I fallet med en terahertzaccelerator är excitationsfältets period ungefär 200 gånger kortare. Därav, spänning* det stödda fältet kommer att vara 10 gånger högre.
Elektrisk fältstyrka* - en indikator för det elektriska fältet, lika med förhållandet mellan kraften som appliceras på en stationär punktladdning placerad vid en given punkt i fältet och storleken på denna laddning.
Således, i en terahertzaccelerator, kan fältgradienterna som upplevs av elektroner vara flera storleksordningar högre än i en konventionell anordning. Tidsskalan på vilken fältkrökningen är märkbar kommer att vara betydligt mindre. Det följer av detta att varaktigheten av den införda elektronstrålen kommer att ha en mer uttalad effekt.
Forskare bestämde sig för att testa dessa teorier i praktiken. För att göra detta introducerade de elektronstrålar av olika varaktighet, som styrdes genom komprimering med den första STEAM-enheten (STEAM-buncher).
Bild #3
I fallet där kompressorn inte var ansluten till en strömkälla passerade elektronstrålar (55 keV) med en laddning på ~1 fC (femtoculomb) cirka 300 mm från elektronkanonen till linjäracceleratoranordningen (STEAM-linac). Dessa elektroner kan expandera under påverkan av rymdladdningskrafter upp till en varaktighet på mer än 1000 fs (femtosekunder).
Vid denna varaktighet upptog elektronstrålen cirka 60 % av det accelererande fältets halva våglängd med en frekvens på 1,7 ps, vilket resulterade i ett energispektrum efter acceleration med en topp vid 115 keV och en halv bredd av energifördelningen mer än 60 keV (3a).
För att jämföra dessa resultat med de förväntade, simulerades situationen för elektronutbredning genom en linjär accelerator när elektronerna var osynkroniserade med (d.v.s. osynkroniserade med) den optimala injektionstiden. Beräkningar av denna situation visade att ökningen av elektronenergi är mycket beroende av injektionsögonblicket, ner till en subpikosekund tidsskala (3b). Det vill säga, med en optimal inställning kommer elektronen att uppleva en hel halvcykel av terahertzstrålningsacceleration i varje lager (3s).
Om elektronerna anländer vid olika tidpunkter upplever de mindre acceleration i det första lagret, vilket gör att de tar längre tid att resa genom det. Avsynkroniseringen ökar sedan i följande lager, vilket orsakar oönskad avmattning (3d).
För att minimera den negativa effekten av den tidsmässiga förlängningen av elektronstrålen, arbetade den första STEAM-anordningen i komprimeringsläge. Elektronstrålens varaktighet vid linacen optimerades till ett minimum av ~350 fs (halv bredd) genom att ställa in terahertz-energin som tillförs kompressorn och växla linac till luckläge (4b).
Bild #4
Den minsta strållängden ställdes in i enlighet med varaktigheten av fotokatodens UV-puls, som var ~600 fs. Avståndet mellan kompressorn och bandet spelade också en viktig roll, vilket begränsade hastigheten på förtjockningskraften. Tillsammans möjliggör dessa åtgärder femtosekundprecision i accelerationsfasens injektionsfas.
På bilden 4a det kan ses att energispridningen för den komprimerade elektronstrålen efter optimerad acceleration i en linjäraccelerator minskar med ~ 4 gånger jämfört med den okomprimerade. På grund av acceleration förskjuts energispektrumet för den komprimerade strålen mot högre energier, i motsats till den okomprimerade strålen. Toppen av energispektrumet efter acceleration är cirka 115 keV, och högenergisvansen når cirka 125 keV.
Dessa siffror, enligt forskarnas blygsamma uttalande, är ett nytt accelerationsrekord (före accelerationen var det 70 keV) i terahertzområdet.
Men för att minska energispridningen (4a), måste en ännu kortare stråle uppnås.
Bild #5
I fallet med en okomprimerad introducerad stråle, avslöjar det paraboliska beroendet av strålstorleken på strömmen den tvärgående emittansen i horisontella och vertikala riktningar: εx,n = 1.703 mm*mrad och εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Kompression förbättrade i sin tur den tvärgående emittansen med 6 gånger till εx,n = 0,285 mm*mrad (horisontell) och εy,n = 0,246 mm*mrad (vertikal).
Det är värt att notera att graden av emittansreduktion är ungefär dubbelt så stor som graden av strållängdsreduktion, vilket är ett mått på olinjäriteten hos interaktionsdynamiken med tiden när elektroner upplever stark fokusering och defokusering av magnetfältet under acceleration (5b и 5s).
På bilden 5b Det kan ses att elektroner som introduceras vid den optimala tiden upplever hela halvcykeln av det elektriska fältets acceleration. Men elektroner som anländer före eller efter den optimala tiden upplever mindre acceleration och till och med partiell retardation. Sådana elektroner får mindre energi, grovt sett.
En liknande situation observeras när den utsätts för ett magnetfält. Elektroner som injiceras vid optimal tid upplever symmetriska mängder positiva och negativa magnetfält. Om införandet av elektroner skedde före den optimala tiden, så fanns det fler positiva fält och färre negativa. Om elektroner introduceras senare än den optimala tiden, blir det färre positiva och fler negativa (5s). Och sådana avvikelser leder till att elektronen kan avvika åt vänster, höger, upp eller ner, beroende på dess position i förhållande till axeln, vilket leder till en ökning av det tvärgående momentumet som motsvarar fokusering eller defokusering av strålen.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på и till honom.
Epilog
Sammanfattningsvis kommer acceleratorns prestanda att öka om varaktigheten av elektronstrålen reduceras. I detta arbete begränsades den uppnåbara strållängden av installationens geometri. Men i teorin kan strålens varaktighet nå mindre än 100 fs.
Forskare noterar också att strålens kvalitet kan förbättras ytterligare genom att minska höjden på lagren och öka deras antal. Denna metod är emellertid inte utan problem, i synnerhet ökar komplexiteten i tillverkningen av anordningen.
Detta arbete är inledningsskedet av en mer omfattande och detaljerad studie av en miniatyrversion av en linjäraccelerator. Trots att den testade versionen redan visar utmärkta resultat, vilket med rätta kan kallas rekordstort, finns det fortfarande mycket arbete att göra.
Tack för din uppmärksamhet, var nyfiken och ha en bra vecka alla! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com