Принципи маълуми «бисьёртар аст, ки тавонотар аст» кайхо боз дар бисьёр сохахои чамъият, аз чумла илму техника чорй карда шудааст. Аммо дар воқеияти муосир татбиқи амалии мақоли «хурд, вале тавоно» торафт бештар маъмул мегардад. Ин ҳам дар компютерҳое, ки қаблан як ҳуҷраи томро ишғол мекарданд, вале ҳоло дар кафи кӯдак ҷойгиранд ва ҳам дар суръатбахшии зарраҳои заряднок зоҳир мешавад. Бале, Коллайдери Калони Адрон (LHC)-ро дар хотир доред, ки андозаҳои таъсирбахши он (дарозии 26 м) айнан дар номи худ нишон дода шудаанд? Ҳамин тавр, ба гуфтаи олимони DESY, ки версияи миниатюрии суръатбахшро таҳия кардаанд, ки аз ҷиҳати иҷроиш аз пешгузаштаи пурраи худ кам нест, ин аллакай як чизи гузашта аст. Гузашта аз ин, суръатбахши хурд ҳатто дар байни суръатдиҳандагони терагерц рекорди нави ҷаҳонӣ гузошт, ки энергияи электронҳои дарунсохташударо ду баробар зиёд кард. Суръати миниатюра чй тавр ба вучуд оварда шуд, принципхои асосии кори он чй гунаанд ва тачрибахои амалй чиро нишон доданд? Ҳисоботи гурӯҳи тадқиқотӣ ба мо барои фаҳмидани ин кӯмак мекунад. Бирав.
Асоси тадқиқот
Ба гуфтаи Донгфан Чжан ва ҳамкорони ӯ дар DESY (Electron Synchrotron олмонӣ), ки мини-суръатдиҳандаро таҳия кардаанд, манбаъҳои электронии ултратез дар ҳаёти ҷомеаи муосир нақши бениҳоят муҳим доранд. Аксарияти онҳо дар соҳаи тиб, рушди электроника ва тадқиқоти илмӣ пайдо мешаванд. Мушкилоти бузургтарин бо суръатбахшҳои хаттии ҷорӣ бо истифода аз осцилляторҳои RF ин арзиши баланди онҳо, инфрасохтори мураккаб ва масрафи таъсирбахши нерӯи барқ аст. Ва чунин камбудиҳо дастрасии чунин технологияҳоро барои доираи васеи корбарон хеле маҳдуд мекунанд.
Ин мушкилоти ошкоро як ангезаи бузург барои таҳияи дастгоҳҳое мебошанд, ки ҳаҷм ва истеъмоли қувваи онҳо боиси даҳшат нахоҳанд шуд.
Дар байни навовариҳои нисбӣ дар ин соҳа суръатбахшҳои терагертс ҳастанд, ки як қатор "манфиатҳо" доранд:
- Интизор меравад, ки мавҷҳои кӯтоҳ ва импулсҳои кӯтоҳи радиатсияи терагерс остонаро ба таври назаррас афзоиш хоҳанд дод. шикастан*, ки аз ҷониби соҳаи, ки градиентҳои шитоби зиёд хоҳад кард;
Барбод рафтани барқ* - якбора баланд шудани ќувваи љараён њангоми татбиќи шиддати аз критикї болотар.
- мавҷудияти усулҳои самарабахши тавлиди шуоъҳои баланди терагерт барои синхронизатсияи дохилии байни электронҳо ва майдонҳои ангезиш имкон медиҳад;
- Барои сохтани чунин дастгоххо усулхои классикиро истифода бурдан мумкин аст, вале арзиши онхо, мухлати истехсол ва андозаи онхо хеле кам мешавад.
Олимон чунин мешуморанд, ки суръатбахши терагерц-миллиметрии онҳо як созиш байни суръатбахшҳои муқаррарии ҳозира мавҷудбуда ва микро-суръатдиҳандаҳои таҳияшаванда мебошад, вале аз сабаби андозаҳои хеле хурди онҳо камбудиҳои зиёд доранд.
Тадқиқотчиён инкор намекунанд, ки технологияи суръатбахшии терагерт дар тӯли чанд вақт таҳия шудааст. Аммо, ба андешаи онҳо, дар ин самт ҳанӯз ҳам ҷанбаҳои зиёде мавҷуд аст, ки омӯхта, санҷида ва амалӣ нашудаанд.
Дар кори худ, ки мо имрӯз онро баррасӣ мекунем, олимон имкониятҳои STEAM (суръатбахш ва манипулятори электронии терагерц сегментонидашуда) - суръатбахш ва манипулятори электронии терагерц сегментатсияшуда. STEAM имкон медиҳад, ки дарозии чӯби электрониро то ба давомнокии суб-пикосекунд кам кунад ва ба ин васила назорати фемтосонияро бар марҳилаи суръатбахшӣ таъмин кунад.
Майдони шитоби 200 МВ/м (МВ — мегавольт) ба даст овардан муяссар гардид, ки ин боиси шитоби рекордии терагерц > 70 кеВ (килоэлектронволт) аз шуои электронии дохилшуда бо энергияи 55 кВ мегардад. Бо ин рох электронхои тезонидашудаи то 125 кеВ ба даст оварда шуданд.
Сохтори дастгоҳ ва татбиқ
Сурати №1: диаграммаи дастгоҳи мавриди омӯзиш.
Тасвири № 1-2: а - диаграммаи сохтори сегменти 5-қабатаи таҳияшуда, b - таносуби шитоби ҳисобшуда ва самти паҳншавии электронҳо.
Шуохои электронй (55 кВ) аз таппончаи электронӣ * ва ба терагерц STEAM-buncher (компрессори нур) ворид карда мешаванд, ки баъд аз он ба STEAM-linac (суръатбахши хатӣ*).
таппончаи электронӣ * — асбоб барои хосил кардани шуои электронхои конфигурация ва энергияи зарурй.
Шитобкунандаи хатӣ* - суръатдиҳандае, ки дар он зарраҳои заряднок аз сохтор танҳо як маротиба мегузаранд, ки суръатдиҳандаи хатиро аз сикливӣ (масалан, LHC) фарқ мекунад.
Ҳарду дастгоҳи STEAM импулсҳои терагертсро аз як лазери наздики инфрасурх (NIR) мегиранд, ки он инчунин фотокатоди таппончаи электрониро оташ мезанад, ки дар натиҷа синхронизатсияи дохилӣ байни электронҳо ва майдонҳои суръатбахш ба вуҷуд меояд. Импульсҳои ултрабунафш барои фотоэмиссия дар фотокатод тавассути ду марҳилаи пайдарпай тавлид мешаванд GVG* дарозии мавҷи асосии нури инфрасурх. Ин раванд набзи лазерии 1020 нмро аввал ба 510 нм ва баъд ба 255 нм табдил медиҳад.
GVG* (насли дуюми гармоникии оптикӣ) раванди муттаҳидшавии фотонҳои як басомад ҳангоми таъсири мутақобила бо маводи ғайрихаттӣ мебошад, ки боиси пайдоиши фотонҳои нав бо энергия ва басомади дукарата ва инчунин нисфи дарозии мавҷ мегардад.
Қисми боқимондаи нури лазерии NIR ба 4 чӯб тақсим карда мешавад, ки барои тавлиди чор импулсҳои якдавраи терагертс тавассути тавлиди фарқиятҳои басомади дохилии импулс истифода мешаванд.
Пас аз он ду импулсҳои терагерт ба ҳар як дастгоҳи STEAM тавассути сохторҳои симметрии шохӣ интиқол дода мешаванд, ки энергияи терагерсро ба минтақаи мутақобила дар самти паҳншавии электронҳо равона мекунанд.
Вақте ки электронҳо ба ҳар як дастгоҳи STEAM ворид мешаванд, онҳо ба ҷузъҳои электрикӣ ва магнитӣ дучор мешаванд Қувваҳои Лоренц *.
Қувваи Лоренц * - ќуввае, ки бо он майдони электромагнитї ба заррачаи заряднок амал мекунад.
Дар ин ҳолат майдони электрикӣ барои шитоб ва сустшавӣ масъул аст ва майдони магнитӣ боиси каҷшавии паҳлуӣ мегардад.
Тасвир №2
Тавре ки мо дар тасвирҳо мебинем 2а и 2b, Дар дохили хар як дастгохи STEAM нурхои терагерц ба воситаи варакхои металлии тунук ба якчанд кабатхои гафсии гуногун таксим карда мешаванд, ки хар кадоми онхо хамчун мавчи мавч баромад карда, як кисми энергияи умумиро ба минтакаи таъсири мутакобила мегузаронанд. Инчунин дар ҳар як қабат плитаҳои диэлектрикӣ мавҷуданд, ки вақти расидани терагерцро ҳамоҳанг мекунанд пеши мавҷ* бо пеши электронхо.
Фронти мавҷ* - сатњи мављ ба он расида.
Ҳарду дастгоҳи STEAM дар реҷаи электрикӣ, яъне тавре кор мекунанд, ки майдони барқро ҷорӣ кунанд ва майдони магнитиро дар маркази минтақаи мутақобила пахш кунанд.
Дар дастгоҳи аввал, электронҳо барои гузаштан вақт таъин карда мешаванд гузариши сифр* майдони терагерц, ки дар он градиентҳои вақти майдони электрикӣ ҳадди аксар ва майдони миёнаи ҳадди ақал кам карда мешавад.
Убури сифр* - нуқтае, ки дар он шиддат нест.
Ин конфигуратсия думи нури электрониро суръат мебахшад ва сари он суст мешавад, ки дар натиҷа фокуси тӯлонии баллистикӣ (2а и 2s).
Дар аппарати дуюм синхронизацияи шуоъхои электрон ва терагерц тавре гузошта шудааст, ки шуои электрон танхо давраи манфии майдони электрии терагерцро аз сар мегузаронад. Ин конфигуратсия ба суръатбахшии доимии холис оварда мерасонад (2b и 2d).
Лазери NIR як системаи криогении хунукшудаи Yb: YLF мебошад, ки импулсҳои оптикии давомнокии 1.2 ps ва энергияи 50 мҶ дар дарозии мавҷи 1020 нм ва суръати такрори 10 Гц тавлид мекунад. Ва импулсҳои терагерс бо басомади марказии 0.29 терагерц (давраи 3.44 пс) бо усули фронти набзи моил тавлид мешаванд.
Барои ба кор даровардани STEAM-buncher (компрессори нур) ҳамагӣ 2 x 50 нҶ энергияи терагертс истифода мешуд ва барои STEAM-linac (суръати хатӣ) 2 x 15 мҶ лозим буд.
Диаметри сӯрохиҳои даромад ва баромади ҳарду дастгоҳи STEAM 120 микрон аст.
Компрессори чӯбӣ бо се қабати баландии баробар (0 мм) тарҳрезӣ шудааст, ки барои назорат кардани вақт бо плитаҳои силикии омехта (ϵr = 225) дарозии 4.41 ва 0.42 мм муҷаҳҳаз шудаанд. Баландии баробари қабатҳои компрессорӣ далели мавҷуд набудани шитобро инъикос мекунад (2s).
Аммо дар суръатбахшии хатӣ баландиҳо аллакай гуногунанд - 0.225, 0.225 ва 0.250 мм (+ плитаҳои кварцӣ 0.42 ва 0.84 мм). Баландшавии баландии қабат афзоиши суръати электронҳоро ҳангоми шитоб шарҳ медиҳад.
Олимон қайд мекунанд, ки шумораи қабатҳо барои кори ҳар як ду дастгоҳ бевосита масъул аст. Барои ноил шудан ба суръати баландтари суръатбахшӣ, масалан, қабатҳои бештар ва конфигуратсияҳои баланди баландиро барои оптимизатсияи мутақобила талаб мекунад.
Натичахои тачрибахои амалй
Аввалан, муҳаққиқон хотиррасон мекунанд, ки дар суръатдиҳандаҳои анъанавии басомади радио, таъсири дараҷаи муваққатии чӯби электронии дарунсохташуда ба хосиятҳои чӯби суръатёфта аз тағирёбии майдони электрикӣ ҳангоми таъсири мутақобилаи электронҳои гуногун дар дохили чӯби воридшаванда мебошад. дар замонҳои гуногун. Ҳамин тариқ, интизор шудан мумкин аст, ки майдонҳои дорои градиентҳои баландтар ва чӯбҳои давомнокии дарозтар ба паҳншавии бештари энергия оварда мерасонанд. Нурҳои сӯзандоруи дарозмуддат низ метавонанд ба арзишҳои баландтар оварда расонанд Пардохтҳо*.
Пардохт* — фазой фазаеро, ки нури тезонидашудаи заррачахои заряднок ишгол кардааст.
Дар сурати тезонидани терагерц давраи майдони барангезиш такрибан 200 маротиба кутох аст. Аз ин рӯ, шиддат* майдони дастгирй 10 баробар зиёд мешавад.
Қувваи майдони барқ* - нишондињандаи майдони электрї, ки ба таносуби ќувваи ба заряди нуќтаи статсионарї, ки дар нуќтаи додаи майдон љойгир шудааст, ба бузургии ин заряд баробар аст.
Ҳамин тариқ, дар суръатбахши терагертс, градиентҳои майдоне, ки электронҳо аз сар мегузаронанд, метавонанд нисбат ба дастгоҳи муқаррарӣ якчанд дараҷа баландтар бошанд. Миқёси вақт, ки дар он каҷравии майдон намоён аст, хеле хурдтар хоҳад шуд. Аз ин бармеояд, ки давомнокии шуои электронии воридшуда таъсири бештаре дорад.
Олимон тасмим гирифтанд, ки ин назарияҳоро дар амал санҷанд. Барои ин онхо нурхои электронии давомнокии гуногунро ба кор андохтанд, ки онхо бо ёрии компрессорй бо ёрии аввалин дастгохи STEAM (STEAM-buncher) идора карда мешуданд.
Тасвир №3
Дар холате, ки компрессор ба манбаи кувва пайваст набуд, нурхои электронхо (55 кеВ) бо заряди ~1 fC (фемтокулом) аз таппончаи электронй ба дастгохи тезкунандаи хатти (STEAM-linac) такрибан 300 мм гузаштанд. Ин электронҳо метавонанд дар зери таъсири қувваҳои заряди кайҳонӣ то зиёда аз 1000 fs (фемтосекундҳо) васеъ шаванд.
Дар ин давомнокӣ, нури электронӣ тақрибан 60% нисфи дарозии майдони шитобкунандаро бо басомади 1,7 ps ишғол кард, ки дар натиҷа спектри энергияи пас аз шитоб бо қуллаи 115 кВ ва нисфи паҳнои тақсимоти энергия ба вуҷуд омад. зиёда аз 60 кВ (3а).
Барои муқоисаи ин натиҷаҳо бо натиҷаҳои интизоршуда, ҳолати паҳншавии электронҳо тавассути суръатбахши хатӣ ҳангоми ҳамоҳангсозии электронҳо бо вақти оптималии тазриқ (яъне ҳамоҳангӣ бо) тақлид карда шуд. Ҳисобҳои ин вазъият нишон доданд, ки афзоиши энергияи электронҳо аз лаҳзаи сӯзандору то миқёси вақти субпикосония вобаста аст (3b). Яъне, бо танзими оптималӣ, электрон дар ҳар як қабат ним давраи пурраи шитоби радиатсияи терагертсро эҳсос мекунад (3s).
Агар электронҳо дар вақтҳои гуногун оянд, онҳо дар қабати аввал шитоби камтарро эҳсос мекунанд, ки ин боиси он мегардад, ки тавассути он ҳаракат кардан вақти зиёдро талаб мекунад. Пас аз синхронизатсия дар қабатҳои зерин афзоиш ёфта, боиси сустшавии номатлуб мегардад (3d).
Бо максади кам кардани таъсири манфии васеъшавии муваккатии шуои электронй аввалин аппарати STEAM дар режими фишурдакунй кор мекард. Давомнокии нури электрон дар линак ба ҳадди ақал ~ 350 фс (ним паҳнои) тавассути танзими энергияи терагерт, ки ба компрессор дода мешавад ва гузариши линак ба режими люк (4b).
Тасвир №4
Давомнокии минималии шуоъ мувофиқи давомнокии набзи ултрабунафш фотокатод муқаррар карда шуд, ки ~600 fs буд. Масофаи байни компрессор ва тасма низ роли калон бозид, ки суръати кувваи гафсшавиро махдуд мекард. Якҷоя, ин тадбирҳо имкон медиҳанд, ки дақиқии фемтосония дар марҳилаи тазриқи марҳилаи суръатбахшӣ.
Дар тасвир 4а дидан мумкин аст, ки паҳншавии энергияи шуои электронии фишурда пас аз суръатбахшии оптимизатсияшуда дар суръатбахши хатӣ нисбат ба суръати фишурнашуда ~ 4 маротиба кам мешавад. Аз сабаби шитоб, спектри энергетикии шуои фишурда, бар хилофи шуои фишурнашуда, ба энергияҳои баландтар мегузарад. Қуллаи спектри энергетикӣ пас аз шитоб тақрибан 115 кВ ва думи энергияи баланд тақрибан ба 125 кВ мерасад.
Ин ракамхо, мувофики изхороти хоксоронаи олимон, дар диапазони терагерц рекорди нави шитоб (пеш аз суръат 70 кеВ буд) мебошанд.
Аммо барои кам кардани паҳншавии энергия (4а), нури боз хам кутохтар ба даст оварда шавад.
Тасвир №5
Дар сурати шуои воридшавандаи фишурнашуда, вобастагии параболии андозаи чӯб аз ҷараёни ҷараён паҳншавии кундалангро дар самтҳои уфуқӣ ва амудӣ ошкор мекунад: εx,n = 1.703 мм*мрад ва εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).
Компрессия, дар навбати худ, 6 маротиба εx,n = 0,285 мм*мрад (уфуқӣ) ва εy,n = 0,246 мм*мрад (вертикалӣ) XNUMX маротиба беҳтар шуд.
Бояд қайд кард, ки дараҷаи камшавии эмитент нисбат ба дараҷаи камшавии давомнокии шуо тақрибан ду баробар калон аст, ки ин ченаки ғайрихаттӣ будани динамикаи мутақобила бо вақтест, ки электронҳо ҳангоми суръатбахшӣ фокуси қавӣ ва фокусшавии майдони магнитиро эҳсос мекунанд (5b и 5s).
Дар тасвир 5b Мумкин аст, ки электронҳои дар вақти оптималӣ воридшуда тамоми ним даври шитоби майдони электрикиро аз сар мегузаронанд. Аммо электронҳое, ки пеш аз вақти оптималӣ ё баъд аз он меоянд, суръатро камтар ва ҳатто қисман суст мекунанд. Чунин электронҳо бо энергияи камтар, тақрибан гӯем, хотима меёбанд.
Чунин вазъият хангоми ба майдони магнитй дучор шудан мушохида мешавад. Электронҳое, ки дар вақти оптималӣ ворид карда мешаванд, миқдори симметрии майдонҳои магнитии мусбат ва манфиро эҳсос мекунанд. Агар воридшавии электронҳо пеш аз вақти оптималӣ рух дода бошад, пас майдонҳои мусбат бештар ва манфӣ камтар буданд. Агар электронҳо дертар аз вақти оптималӣ ворид карда шаванд, онҳо камтар мусбат ва манфӣ хоҳанд буд (5s). Ва ин гуна инҳирофҳо ба он оварда мерасонанд, ки электрон вобаста ба мавқеъи худ нисбат ба меҳвар метавонад ба чап, рост, боло ё поин ғарқ шавад, ки ин боиси афзоиши импулси трансверсионии мутаносиб ба фокус ё дефокусии чӯб мегардад.
Барои шиносоӣ бо нозукиҳои омӯзиш, ман тавсия медиҳам, ки ба он нигаред и ба ӯ.
Эпилогонӣ
Хулоса, агар давомнокии шуои электрон кам карда шавад, кори суръатбахш меафзояд. Дар ин кор, давомнокии нури ба даст овардашаванда бо геометрияи насб маҳдуд карда шуд. Аммо, дар назария, давомнокии чӯб метавонад камтар аз 100 fs бирасад.
Олимон инчунин кайд мекунанд, ки сифати нурро аз хисоби кам кардани баландии кабатхо ва зиёд кардани шумораи онхо боз хам бехтар кардан мумкин аст. Бо вуҷуди ин, ин усул бе мушкилот нест, аз ҷумла зиёд кардани мураккабии истеҳсоли дастгоҳ.
Ин кор мархалаи ибтидоии тадкикоти васеътар ва муфассалтари варианти миниатюраи суръатбахши хаттй мебошад. Сарфи назар аз он, ки версияи санчидашуда аллакай натичахои аъло нишон дода истодааст, ки онро ба таври хакконй рекордсменхо номидан мумкин аст, хануз кори бисьёре дар пеш аст.
Ташаккур барои таваҷҷуҳ, кунҷков бошед ва ба ҳама ҳафтаи олӣ бахшед! 🙂
Ташаккур ба шумо барои бо мо мондан. Мақолаҳои мо ба шумо маъқуланд? Мехоҳед мундариҷаи ҷолибтарро бубинед? Бо фармоиш додан ё тавсия додан ба дӯстон моро дастгирӣ кунед, 30% тахфиф барои корбарони Habr дар аналоги беназири серверҳои сатҳи ибтидоӣ, ки аз ҷониби мо барои шумо ихтироъ шудааст: (бо RAID1 ва RAID10, то 24 ядро ва то 40 ГБ DDR4 дастрас аст).
Dell R730xd 2 маротиба арзонтар? Танҳо дар ин ҷо дар Нидерландия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - аз $99! Дар бораи хондан
Манбаъ: will.com