Kanuni inayojulikana ya "zaidi ni nguvu zaidi" imeanzishwa kwa muda mrefu katika sekta nyingi za jamii, ikiwa ni pamoja na sayansi na teknolojia. Hata hivyo, katika hali halisi ya kisasa, utekelezaji wa vitendo wa neno "ndogo, lakini lenye nguvu" linazidi kuwa la kawaida. Hii inadhihirishwa katika kompyuta, ambazo hapo awali zilichukua chumba kizima, lakini sasa zinafaa kwenye kiganja cha mtoto, na katika viongeza kasi vya chembe. Ndiyo, kumbuka Large Hadron Collider (LHC), ambayo vipimo vyake vya kuvutia (urefu wa mita 26) vimeonyeshwa kihalisi kwa jina lake? Kwa hiyo, hii tayari ni jambo la zamani kulingana na wanasayansi kutoka DESY, ambao wametengeneza toleo la miniature la kuongeza kasi, ambayo sio duni katika utendaji kwa mtangulizi wake wa ukubwa kamili. Kwa kuongezea, kiongeza kasi cha mini hata kiliweka rekodi mpya ya ulimwengu kati ya vichapuzi vya terahertz, mara mbili ya nishati ya elektroni zilizoingia. Je, kiongeza kasi kidogo kilitengenezwaje, kanuni za msingi za uendeshaji wake ni nini, na majaribio ya vitendo yameonyesha nini? Ripoti ya kikundi cha utafiti itatusaidia kujua kuhusu hili. Nenda.
Msingi wa utafiti
Kulingana na Dongfang Zhang na wenzake huko DESY (Kijerumani Electron Synchrotron), ambao walitengeneza kichochezi kidogo, vyanzo vya elektroni vya haraka vina jukumu muhimu sana katika maisha ya jamii ya kisasa. Wengi wao wanaonekana katika dawa, maendeleo ya umeme na utafiti wa kisayansi. Shida kubwa ya vichapuzi vya sasa vya mstari kwa kutumia violeza vya masafa ya redio ni gharama yao ya juu, miundombinu changamano, na matumizi ya nguvu ya kuvutia. Na mapungufu kama haya hupunguza sana upatikanaji wa teknolojia kama hizo kwa anuwai ya watumiaji.
Matatizo haya ya wazi ni kichocheo kikubwa cha kuendeleza vifaa ambavyo ukubwa na matumizi ya nguvu hayatasababisha hofu.
Miongoni mwa mambo mapya katika tasnia hii ni vichapuzi vya terahertz, ambavyo vina "faida" kadhaa:
- Inatarajiwa kwamba mawimbi mafupi na mapigo mafupi ya mionzi ya terahertz yataongeza kwa kiasi kikubwa kizingiti kuvunja*, iliyosababishwa na shamba, ambayo itaongeza gradients ya kuongeza kasi;
Kukatika kwa umeme* - ongezeko kubwa la nguvu za sasa wakati voltage juu ya muhimu inatumika.
- uwepo wa mbinu bora za kuzalisha mionzi ya terahertz ya juu inaruhusu maingiliano ya ndani kati ya elektroni na mashamba ya uchochezi;
- Njia za classical zinaweza kutumika kuunda vifaa vile, lakini gharama zao, muda wa uzalishaji na ukubwa zitapungua sana.
Wanasayansi wanaamini kuwa kichapuzi chao cha millimeter terahertz ni maelewano kati ya vichapuzi vya kawaida ambavyo vinapatikana kwa sasa na viongeza kasi vidogo ambavyo vinatengenezwa, lakini vina hasara nyingi kutokana na vipimo vyao vidogo sana.
Watafiti hawakatai kuwa teknolojia ya kuongeza kasi ya terahertz imekuwa katika maendeleo kwa muda mrefu. Hata hivyo, kwa maoni yao, bado kuna vipengele vingi katika eneo hili ambavyo havijasomwa, kupimwa au kutekelezwa.
Katika kazi yao, ambayo tunazingatia leo, wanasayansi wanaonyesha uwezo wa STEAM (kichapuzi cha elektroni cha terahertz na kidhibiti) - kiongeza kasi cha elektroni cha terahertz na manipulator. STEAM inafanya uwezekano wa kupunguza urefu wa boriti ya elektroni hadi muda wa picosecond ndogo, na hivyo kutoa udhibiti wa sekunde ya femtose juu ya awamu ya kuongeza kasi.
Iliwezekana kufikia uwanja wa kuongeza kasi wa 200 MV/m (MV - megavolt), ambayo inaongoza kwa kasi ya rekodi ya terahertz ya > 70 keV (kiloelectronvolt) kutoka kwa boriti ya elektroni iliyoingia na nishati ya 55 keV. Kwa njia hii, elektroni za kasi hadi 125 keV zilipatikana.
Muundo wa kifaa na utekelezaji
Picha Nambari 1: mchoro wa kifaa kinachojifunza.
Picha Nambari 1-2: a - mchoro wa muundo ulioandaliwa wa safu 5, b - uwiano wa kasi iliyohesabiwa na mwelekeo wa uenezi wa elektroni.
Mihimili ya elektroni (55 keV) huzalishwa kutoka bunduki ya elektroni* na kuletwa ndani ya terahertz STEAM-buncher (compressor ya boriti), baada ya hapo hupita kwenye STEAM-linac (kiongeza kasi cha mstari*).
Bunduki ya elektroni* - kifaa cha kutengeneza boriti ya elektroni ya usanidi na nishati inayohitajika.
Kiongeza kasi cha mstari* - kiongeza kasi ambacho chembe za kushtakiwa hupitia muundo mara moja tu, ambayo hutofautisha kichocheo cha mstari kutoka kwa mzunguko (kwa mfano, LHC).
Vifaa vyote viwili vya STEAM hupokea mipigo ya terahertz kutoka kwa leza moja ya karibu ya infrared (NIR), ambayo pia huwasha fotokathodi ya bunduki ya elektroni, na kusababisha usawazishaji wa ndani kati ya elektroni na sehemu zinazoongeza kasi. Mipigo ya urujuani kwa ajili ya utoaji wa picha kwenye photocathode huzalishwa kupitia hatua mbili zinazofuatana GVG* urefu wa msingi wa mwanga wa karibu wa infrared. Utaratibu huu hubadilisha mpigo wa laser wa nm 1020 kwanza hadi 510 nm na kisha hadi 255 nm.
GVG* (kizazi cha pili cha macho cha harmonic) ni mchakato wa kuchanganya picha za mzunguko huo wakati wa mwingiliano na nyenzo zisizo za mstari, ambayo husababisha kuundwa kwa fotoni mpya na mara mbili ya nishati na mzunguko, pamoja na nusu ya urefu wa wimbi.
Salio la miale ya leza ya NIR imegawanywa katika mihimili 4, ambayo hutumiwa kutoa mipigo minne ya mzunguko mmoja wa terahertz kwa kutoa tofauti za masafa ya ndani ya mpigo.
Kisha mipigo miwili ya terahertz huletwa kwa kila kifaa cha STEAM kupitia miundo ya pembe linganifu inayoelekeza nishati ya terahertz kwenye eneo la mwingiliano katika mwelekeo wa uenezi wa elektroni.
Elektroni zinapoingia katika kila kifaa cha STEAM, huwa wazi kwa vipengele vya umeme na sumaku Vikosi vya Lorentz*.
Nguvu ya Lorentz* - nguvu ambayo uwanja wa sumakuumeme hufanya kazi kwenye chembe iliyoshtakiwa.
Katika kesi hii, uwanja wa umeme unawajibika kwa kuongeza kasi na kupungua, na uwanja wa sumaku husababisha kupotoka kwa upande.
Picha #2
Kama tunavyoona kwenye picha 2 ΠΈ 2b, Ndani ya kila kifaa cha STEAM, mihimili ya terahertz imegawanywa kinyume chake na karatasi nyembamba za chuma katika tabaka kadhaa za unene tofauti, ambayo kila moja hufanya kama mwongozo wa wimbi, kuhamisha sehemu ya jumla ya nishati kwenye eneo la mwingiliano. Pia kuna sahani za dielectri katika kila safu ili kuratibu wakati wa kuwasili kwa terahertz wimbi mbele* na sehemu ya mbele ya elektroni.
Mbele ya wimbi* - uso ambao wimbi limefikia.
Vifaa vyote viwili vya STEAM hufanya kazi katika hali ya umeme, yaani, kwa njia ya kulazimisha uwanja wa umeme na kukandamiza uga wa sumaku katikati ya eneo la mwingiliano.
Katika kifaa cha kwanza, elektroni zimepitwa na wakati kuvuka sifuri* uwanja wa terahertz, ambapo viwango vya muda vya uwanja wa umeme vinaongezwa na uga wa wastani hupunguzwa.
Kuvuka sifuri* - mahali ambapo hakuna mvutano.
Usanidi huu husababisha mkia wa boriti ya elektroni kuharakisha na kichwa chake kupungua, na kusababisha kulenga kwa longitudinal ya ballistic (2 ΠΈ 2c).
Katika kifaa cha pili, maingiliano ya mionzi ya elektroni na terahertz imewekwa ili boriti ya elektroni ipate mzunguko mbaya tu wa uwanja wa umeme wa terahertz. Usanidi huu husababisha kuongeza kasi ya kuendelea (2b ΠΈ 2d).
Laser ya NIR ni mfumo uliopozwa kwa sauti ya Yb:YLF ambao hutoa mapigo ya macho ya muda wa 1.2 ps na nishati ya 50 mJ kwa urefu wa mawimbi wa 1020 nm na kasi ya kurudia ya 10 Hz. Na mapigo ya terahertz yenye mzunguko wa kati wa 0.29 terahertz (kipindi cha 3.44 ps) hutolewa na njia ya mbele ya mapigo ya kupigwa.
Ili kuwasha STEAM-buncher (boriti ya kujazia) ni 2 x 50 nJ tu ya nishati ya terahertz ilitumiwa, na STEAM-linac (kiongeza kasi cha mstari) ilihitaji 2 x 15 mJ.
Kipenyo cha matundu ya kuingiza na kutoa ya vifaa vyote viwili vya STEAM ni mikroni 120.
Compressor ya boriti imeundwa kwa tabaka tatu za urefu sawa (0 mm), ambazo zina vifaa vya sahani za silika zilizounganishwa (Ο΅r = 225) za urefu wa 4.41 na 0.42 mm ili kudhibiti muda. Urefu sawa wa tabaka za compressor zinaonyesha ukweli kwamba hakuna kuongeza kasi (2c).
Lakini katika accelerator linear urefu tayari ni tofauti - 0.225, 0.225 na 0.250 mm (+ fused quartz sahani 0.42 na 0.84 mm). Kuongezeka kwa urefu wa safu kunaelezea ongezeko la kasi ya elektroni wakati wa kuongeza kasi.
Wanasayansi wanaona kuwa idadi ya tabaka inawajibika moja kwa moja kwa utendaji wa kila moja ya vifaa hivi viwili. Kufikia viwango vya juu vya kuongeza kasi, kwa mfano, kutahitaji safu zaidi na usanidi tofauti wa urefu ili kuboresha mwingiliano.
Matokeo ya majaribio ya vitendo
Kwanza, watafiti wanakumbusha kuwa katika viongeza kasi vya masafa ya redio ya jadi, athari ya kiwango cha muda cha boriti ya elektroni iliyoingia kwenye mali ya boriti iliyoharakishwa ni kwa sababu ya mabadiliko katika uwanja wa umeme unaopatikana wakati wa mwingiliano wa elektroni tofauti ndani ya boriti inayofika. kwa nyakati tofauti. Kwa hivyo, inaweza kutarajiwa kwamba mashamba yenye gradients ya juu na mihimili yenye muda mrefu itasababisha kuenea kwa nishati kubwa. Mihimili iliyoingizwa ya muda mrefu inaweza pia kusababisha maadili ya juu uzalishaji*.
Emittance* - nafasi ya awamu iliyochukuliwa na boriti ya kasi ya chembe za kushtakiwa.
Katika kesi ya kuongeza kasi ya terahertz, muda wa uwanja wa msisimko ni takriban mara 200 mfupi. Kwa hivyo, mvutano* uwanja unaoungwa mkono utakuwa juu mara 10.
Nguvu ya uwanja wa umeme* - kiashiria cha uwanja wa umeme, sawa na uwiano wa nguvu inayotumiwa kwa malipo ya hatua ya stationary iliyowekwa kwenye hatua fulani kwenye shamba kwa ukubwa wa malipo haya.
Kwa hivyo, katika kiongeza kasi cha terahertz, gradients za shamba zinazopatikana na elektroni zinaweza kuwa amri kadhaa za ukubwa wa juu kuliko kifaa cha kawaida. Kipimo cha muda ambacho kipindo cha uga kinaonekana kitakuwa kidogo sana. Inafuata kutoka kwa hili kwamba muda wa boriti ya elektroni iliyoletwa itakuwa na athari iliyotamkwa zaidi.
Wanasayansi waliamua kujaribu nadharia hizi kwa vitendo. Ili kufanya hivyo, walianzisha mihimili ya elektroni ya muda tofauti, ambayo ilidhibitiwa na ukandamizaji kwa kutumia kifaa cha kwanza cha STEAM (STEAM-buncher).
Picha #3
Katika kesi ambapo compressor haikuunganishwa na chanzo cha nguvu, mihimili ya elektroni (55 keV) yenye malipo ya ~ 1 fC (femtocoulomb) ilipita takriban 300 mm kutoka kwa bunduki ya elektroni hadi kifaa cha kuongeza kasi cha mstari (STEAM-linac). Elektroni hizi zinaweza kupanuka chini ya ushawishi wa nguvu za malipo ya nafasi hadi muda wa zaidi ya 1000 fs (femtoseconds).
Kwa muda huu, boriti ya elektroni ilichukua karibu 60% ya urefu wa nusu ya uwanja wa kuongeza kasi kwa mzunguko wa 1,7 ps, na kusababisha wigo wa nishati baada ya kuongeza kasi na kilele cha 115 keV na nusu ya upana wa usambazaji wa nishati. zaidi ya 60 keV (3).
Ili kulinganisha matokeo haya na yale yanayotarajiwa, hali ya uenezi wa elektroni kupitia kichapuzi cha mstari iliigwa wakati elektroni hazikuwa na usawazishaji na (yaani, nje ya usawazishaji na) muda mwafaka zaidi wa kudunga. Mahesabu ya hali hii yalionyesha kuwa ongezeko la nishati ya elektroni linategemea sana wakati wa sindano, hadi kiwango cha wakati wa subpicosecond (3b) Hiyo ni, kwa mpangilio mzuri, elektroni itapata mzunguko kamili wa nusu ya kuongeza kasi ya mionzi ya terahertz katika kila safu (3c).
Ikiwa elektroni hufika kwa nyakati tofauti, hupata kasi ndogo katika safu ya kwanza, ambayo huwafanya kuchukua muda mrefu kusafiri kupitia hiyo. Usawazishaji basi huongezeka katika tabaka zifuatazo, na kusababisha kushuka kusikotakikana (3d).
Ili kupunguza athari hasi ya upanuzi wa muda wa boriti ya elektroni, kifaa cha kwanza cha STEAM kilifanya kazi katika hali ya mgandamizo. Muda wa boriti ya elektroni kwenye linac uliboreshwa hadi kiwango cha chini cha ~ 350 fs (nusu upana) kwa kurekebisha nishati ya terahertz inayotolewa kwa compressor na kubadili linac hadi hali ya kuangua (4b).
Picha #4
Muda wa chini zaidi wa boriti umewekwa kwa mujibu wa muda wa mpigo wa UV wa photocathode, ambao ulikuwa ~ 600 fs. Umbali kati ya compressor na strip pia ilichukua jukumu muhimu, ambalo lilipunguza kasi ya nguvu ya unene. Kwa pamoja, hatua hizi huwezesha usahihi wa femtosecond katika awamu ya sindano ya awamu ya kuongeza kasi.
Kwenye picha 4 inaweza kuonekana kuwa uenezaji wa nishati ya boriti ya elektroni iliyobanwa baada ya kuongeza kasi iliyoboreshwa katika kiongeza kasi cha mstari hupungua kwa ~ mara 4 ikilinganishwa na ile isiyobanwa. Kwa sababu ya kuongeza kasi, wigo wa nishati ya boriti iliyoshinikizwa hubadilishwa kuelekea nguvu za juu, tofauti na boriti isiyoshinikizwa. Upeo wa wigo wa nishati baada ya kuongeza kasi ni karibu 115 keV, na mkia wa juu-nishati hufikia karibu 125 keV.
Takwimu hizi, kulingana na taarifa ya kawaida ya wanasayansi, ni rekodi mpya ya kuongeza kasi (kabla ya kuongeza kasi ilikuwa 70 keV) katika safu ya terahertz.
Lakini ili kupunguza mtawanyiko wa nishati (4), boriti fupi zaidi lazima ipatikane.
Picha #5
Katika kesi ya boriti iliyoletwa ambayo haijashinikizwa, utegemezi wa kimfano wa saizi ya boriti kwenye mkondo unaonyesha mkondo wa kupita katika mwelekeo wa usawa na wima: Ξ΅x,n = 1.703 mm*mrad na Ξ΅y,n = 1.491 mm*mrad (5).
Mfinyazo, kwa upande wake, uliboresha utoaji hewa unaopita kwa mara 6 hadi Ξ΅x,n = 0,285 mm*mrad (mlalo) na Ξ΅y,n = 0,246 mm*mrad (wima).
Inafaa kumbuka kuwa kiwango cha upunguzaji wa utoaji hewa ni takriban mara mbili zaidi ya kiwango cha kupunguza muda wa boriti, ambayo ni kipimo cha kutolingana kwa mienendo ya mwingiliano na wakati ambapo elektroni hupata umakini mkubwa na upunguzaji wa uga wa sumaku wakati wa kuongeza kasi.5b ΠΈ 5c).
Kwenye picha 5b Inaweza kuonekana kuwa elektroni zilizoletwa kwa wakati unaofaa hupata mzunguko mzima wa nusu ya kuongeza kasi ya uwanja wa umeme. Lakini elektroni zinazofika kabla au baada ya muda mwafaka hupata kasi ndogo na hata kupungua kwa sehemu. Elektroni kama hizo huishia na nishati kidogo, kwa kusema.
Hali kama hiyo inazingatiwa wakati inakabiliwa na shamba la sumaku. Elektroni zilizodungwa kwa wakati unaofaa hupata uzoefu wa viwango vya ulinganifu vya sehemu chanya na hasi za sumaku. Ikiwa kuanzishwa kwa elektroni kulitokea kabla ya wakati unaofaa, basi kulikuwa na nyanja nzuri zaidi na chache hasi. Ikiwa elektroni zitaletwa baadaye kuliko wakati unaofaa, kutakuwa na chanya na hasi chache zaidi (5c) Na kupotoka kama hiyo kunasababisha ukweli kwamba elektroni inaweza kupotoka kwenda kushoto, kulia, juu au chini, kulingana na msimamo wake kuhusiana na mhimili, ambayo husababisha kuongezeka kwa kasi ya kupita inayolingana na kuzingatia au kupungua kwa boriti.
Kwa ufahamu wa kina zaidi na nuances ya utafiti, napendekeza kutazama ΠΈ kwake.
Epilogue
Kwa muhtasari, utendaji wa kuongeza kasi utaongezeka ikiwa muda wa boriti ya elektroni hupunguzwa. Katika kazi hii, muda wa boriti unaoweza kupatikana ulipunguzwa na jiometri ya ufungaji. Lakini, kwa nadharia, muda wa boriti unaweza kufikia chini ya 100 fs.
Wanasayansi pia wanaona kuwa ubora wa boriti unaweza kuboreshwa zaidi kwa kupunguza urefu wa tabaka na kuongeza idadi yao. Walakini, njia hii sio bila shida, haswa kuongeza ugumu wa utengenezaji wa kifaa.
Kazi hii ni hatua ya awali ya uchunguzi wa kina na wa kina zaidi wa toleo la miniature la kiongeza kasi cha mstari. Licha ya ukweli kwamba toleo lililojaribiwa tayari linaonyesha matokeo bora, ambayo inaweza kuitwa kwa usahihi kuvunja rekodi, bado kuna kazi nyingi ya kufanya.
Asante kwa umakini wako, endelea kutaka kujua na uwe na wiki njema kila mtu! π
Asante kwa kukaa nasi. Je, unapenda makala zetu? Je, ungependa kuona maudhui ya kuvutia zaidi? Tuunge mkono kwa kuweka agizo au kupendekeza kwa marafiki, Punguzo la 30% kwa watumiaji wa Habr kwenye analogi ya kipekee ya seva za kiwango cha kuingia, ambayo tulikutengenezea: (inapatikana kwa RAID1 na RAID10, hadi cores 24 na hadi 40GB DDR4).
Dell R730xd mara 2 nafuu? Hapa tu nchini Uholanzi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - kutoka $99! Soma kuhusu
Chanzo: mapenzi.com