Ang pamilyar na prinsipyo ng "mas marami ang mas makapangyarihan" ay matagal nang naitatag sa maraming sektor ng lipunan, kabilang ang agham at teknolohiya. Gayunpaman, sa modernong mga katotohanan, ang praktikal na pagpapatupad ng kasabihang "maliit, ngunit makapangyarihan" ay nagiging mas at mas karaniwan. Ito ay ipinahayag pareho sa mga computer, na dati ay kinuha ang isang buong silid, ngunit ngayon ay magkasya sa palad ng isang bata, at sa mga sisingilin na particle accelerators. Oo, tandaan ang Large Hadron Collider (LHC), na ang mga kahanga-hangang sukat (26 m ang haba) ay literal na ipinahiwatig sa pangalan nito? Kaya, ito ay isang bagay na ng nakaraan ayon sa mga siyentipiko mula sa DESY, na nakabuo ng isang pinaliit na bersyon ng accelerator, na hindi mababa sa pagganap sa buong laki nitong hinalinhan. Bukod dito, nagtakda pa ang mini accelerator ng bagong world record sa mga terahertz accelerators, na nagdodoble sa enerhiya ng mga naka-embed na electron. Paano binuo ang miniature accelerator, ano ang mga pangunahing prinsipyo ng pagpapatakbo nito, at ano ang ipinakita ng mga praktikal na eksperimento? Ang ulat ng pangkat ng pananaliksik ay makakatulong sa amin na malaman ang tungkol dito. Pumunta ka.
Batayan sa pananaliksik
Ayon kay Dongfang Zhang at sa kanyang mga kasamahan sa DESY (German Electron Synchrotron), na bumuo ng mini-accelerator, ang ultrafast electron sources ay gumaganap ng isang hindi kapani-paniwalang mahalagang papel sa buhay ng modernong lipunan. Marami sa kanila ang lumilitaw sa medisina, pag-unlad ng electronics at siyentipikong pananaliksik. Ang pinakamalaking problema sa kasalukuyang mga linear accelerator na gumagamit ng mga radio frequency oscillator ay ang kanilang mataas na gastos, kumplikadong imprastraktura, at kahanga-hangang paggamit ng kuryente. At ang gayong mga pagkukulang ay lubos na naglilimita sa pagkakaroon ng naturang mga teknolohiya sa isang mas malawak na hanay ng mga gumagamit.
Ang mga halatang problemang ito ay isang mahusay na insentibo upang bumuo ng mga device na ang laki at pagkonsumo ng kuryente ay hindi magdudulot ng kakila-kilabot.
Kabilang sa mga kamag-anak na bagong bagay sa industriyang ito ay ang mga terahertz accelerators, na mayroong ilang "mga benepisyo":
- Inaasahan na ang maiikling alon at maiikling pulso ng terahertz radiation ay makabuluhang tataas ang threshold pagkasira*, sanhi ng field, na magpapataas ng mga gradient ng acceleration;
Pagkasira ng kuryente* - isang matalim na pagtaas sa kasalukuyang lakas kapag ang isang boltahe sa itaas kritikal ay inilapat.
- ang pagkakaroon ng mga epektibong pamamaraan para sa pagbuo ng high-field terahertz radiation ay nagbibigay-daan para sa panloob na pag-synchronize sa pagitan ng mga electron at excitation field;
- Ang mga klasikal na pamamaraan ay maaaring gamitin upang lumikha ng mga naturang device, ngunit ang kanilang gastos, oras ng produksyon at laki ay lubos na mababawasan.
Naniniwala ang mga siyentipiko na ang kanilang millimeter-scale terahertz accelerator ay isang kompromiso sa pagitan ng mga conventional accelerators na kasalukuyang available at micro-accelerators na binuo, ngunit may maraming disadvantages dahil sa kanilang napakaliit na dimensyon.
Hindi itinatanggi ng mga mananaliksik na ang teknolohiya sa pagpapabilis ng terahertz ay nasa pag-unlad sa loob ng ilang panahon. Gayunpaman, sa kanilang opinyon, marami pa ring aspeto sa lugar na ito na hindi pa napag-aaralan, nasubok o naipatupad.
Sa kanilang gawain, na isinasaalang-alang natin ngayon, ipinakita ng mga siyentipiko ang mga kakayahan ng STEAM (naka-segment na terahertz electron accelerator at manipulator) - isang naka-segment na terahertz electron accelerator at manipulator. Ginagawang posible ng STEAM na bawasan ang haba ng electron beam sa sub-picosecond na tagal, sa gayon ay nagbibigay ng femtosecond na kontrol sa acceleration phase.
Posibleng makamit ang isang acceleration field na 200 MV/m (MV - megavolt), na humahantong sa isang record terahertz acceleration na > 70 keV (kiloelectronvolt) mula sa naka-embed na electron beam na may enerhiya na 55 keV. Sa ganitong paraan, nakuha ang mga pinabilis na electron hanggang 125 keV.
Istraktura at pagpapatupad ng device
Larawan No. 1: diagram ng device na pinag-aaralan.
Image No. 1-2: a - diagram ng binuo na 5-layer segmented na istraktura, b - ratio ng kinakalkula na acceleration at direksyon ng pagpapalaganap ng elektron.
Ang mga electron beam (55 keV) ay nabuo mula sa electron gun* at ipinakilala sa terahertz STEAM-buncher (beam compressor), pagkatapos ay pumasa sila sa STEAM-linac (linear accelerator*).
Electron gun* β isang aparato para sa pagbuo ng isang sinag ng mga electron ng kinakailangang pagsasaayos at enerhiya.
Linear accelerator* - isang accelerator kung saan ang mga sisingilin na particle ay dumaan sa istraktura nang isang beses lamang, na nakikilala ang isang linear accelerator mula sa isang cyclic (halimbawa, ang LHC).
Ang parehong STEAM device ay tumatanggap ng mga terahertz pulse mula sa isang near-infrared (NIR) laser, na nagpapaputok din sa photocathode ng electron gun, na nagreresulta sa panloob na pag-synchronize sa pagitan ng mga electron at accelerating field. Ang mga pulso ng ultraviolet para sa photoemission sa photocathode ay nabuo sa pamamagitan ng dalawang magkakasunod na yugto GVG* pangunahing wavelength ng malapit-infrared na ilaw. Ang prosesong ito ay nagko-convert ng 1020 nm laser pulse muna sa 510 nm at pagkatapos ay sa 255 nm.
GVG* (optical second harmonic generation) ay ang proseso ng pagsasama-sama ng mga photon ng parehong frequency sa panahon ng pakikipag-ugnayan sa isang nonlinear na materyal, na humahantong sa pagbuo ng mga bagong photon na may dobleng enerhiya at frequency, pati na rin ang kalahati ng wavelength.
Ang natitira sa NIR laser beam ay nahahati sa 4 na beam, na ginagamit upang makabuo ng apat na single-cycle terahertz pulse sa pamamagitan ng pagbuo ng intra-pulse frequency differences.
Ang dalawang terahertz pulse ay inihahatid sa bawat STEAM device sa pamamagitan ng simetriko na mga istruktura ng sungay na nagdidirekta sa enerhiya ng terahertz sa rehiyon ng pakikipag-ugnayan sa direksyon ng pagpapalaganap ng elektron.
Kapag ang mga electron ay pumasok sa bawat STEAM device, sila ay nakalantad sa mga electrical at magnetic na bahagi Lorentz forces*.
Lorentz force* - ang puwersa kung saan kumikilos ang electromagnetic field sa isang sisingilin na particle.
Sa kasong ito, ang electric field ay responsable para sa acceleration at deceleration, at ang magnetic field ay nagiging sanhi ng mga lateral deflection.
Larawan #2
Tulad ng nakikita natin sa mga larawan 2 ΠΈ 2b, Sa loob ng bawat STEAM device, ang mga terahertz beam ay nahahati nang pahalang sa pamamagitan ng manipis na mga sheet ng metal sa ilang mga layer na may iba't ibang kapal, bawat isa ay nagsisilbing waveguide, na naglilipat ng bahagi ng kabuuang enerhiya sa rehiyon ng pakikipag-ugnayan. Mayroon ding mga dielectric plate sa bawat layer upang i-coordinate ang oras ng pagdating ng terahertz kaway sa harap* sa harap ng mga electron.
Wavefront* - ang ibabaw kung saan naabot ng alon.
Ang parehong mga aparato ng STEAM ay gumagana sa electrical mode, iyon ay, sa paraang magpataw ng isang electric field at sugpuin ang isang magnetic field sa gitna ng lugar ng pakikipag-ugnayan.
Sa unang aparato, ang mga electron ay nag-time na dumaan zero crossing* terahertz field, kung saan ang mga time gradient ng electric field ay na-maximize at ang average na field ay pinaliit.
Zero crossing* - isang punto kung saan walang tensyon.
Ang pagsasaayos na ito ay nagiging sanhi ng pag-accelerate ng buntot ng electron beam at ang ulo nito sa pagbabawas ng bilis, na nagreresulta sa ballistic longitudinal focusing (2 ΠΈ 2s).
Sa pangalawang device, ang pag-synchronize ng electron at terahertz radiation ay nakatakda upang ang electron beam ay nakakaranas lamang ng negatibong cycle ng terahertz electric field. Ang pagsasaayos na ito ay nagreresulta sa isang net na tuloy-tuloy na acceleration (2b ΠΈ 2d).
Ang NIR laser ay kahawig ng isang cryogenically cooled na Yb:YLF system, na gumagawa ng optical pulses na 1.2 ps na tagal at 50 mJ energy sa wavelength na 1020 nm at isang repetition rate na 10 Hz. At ang mga pulso ng terahertz na may gitnang dalas na 0.29 terahertz (panahon ng 3.44 ps) ay nabuo sa pamamagitan ng paraan ng hilig sa harap ng pulso.
Para paganahin ang STEAM-buncher (beam compressor) 2 x 50 nJ lang ng terahertz energy ang ginamit, at ang STEAM-linac (linear accelerator) ay nangangailangan ng 2 x 15 mJ.
Ang diameter ng mga butas ng inlet at outlet ng parehong STEAM device ay 120 microns.
Ang beam compressor ay idinisenyo na may tatlong layer ng pantay na taas (0 mm), na nilagyan ng fused silica plates (Ο΅r = 225) na may haba na 4.41 at 0.42 mm para makontrol ang timing. Ang pantay na taas ng mga layer ng compressor ay sumasalamin sa katotohanan na walang acceleration (2s).
Ngunit sa linear accelerator ang mga taas ay naiiba na - 0.225, 0.225 at 0.250 mm (+ fused quartz plates 0.42 at 0.84 mm). Ang pagtaas sa taas ng layer ay nagpapaliwanag ng pagtaas sa bilis ng mga electron sa panahon ng acceleration.
Napansin ng mga siyentipiko na ang bilang ng mga layer ay direktang responsable para sa pag-andar ng bawat isa sa dalawang device. Ang pagkamit ng mas mataas na mga rate ng acceleration, halimbawa, ay mangangailangan ng higit pang mga layer at iba't ibang mga configuration ng taas upang ma-optimize ang pakikipag-ugnayan.
Mga resulta ng mga praktikal na eksperimento
Una, ipinaalala ng mga mananaliksik na sa tradisyonal na radio frequency accelerators, ang epekto ng temporal na lawak ng naka-embed na electron beam sa mga katangian ng accelerated beam ay dahil sa pagbabago sa electric field na naranasan sa panahon ng interaksyon ng iba't ibang mga electron sa loob ng beam na dumarating. sa iba't ibang panahon. Kaya, maaaring asahan na ang mga field na may mas matataas na gradient at beam na may mas mahabang tagal ay hahantong sa mas malaking pagkalat ng enerhiya. Ang mga injected beam na may mahabang tagal ay maaari ding humantong sa mas mataas na halaga emittances*.
Emittance* β phase space na inookupahan ng isang pinabilis na sinag ng mga sisingilin na particle.
Sa kaso ng isang terahertz accelerator, ang panahon ng field ng paggulo ay humigit-kumulang 200 beses na mas maikli. Kaya naman, tensyon* ang sinusuportahang field ay magiging 10 beses na mas mataas.
Lakas ng electric field* - isang tagapagpahiwatig ng electric field, katumbas ng ratio ng puwersa na inilapat sa isang nakatigil na singil sa punto na inilagay sa isang naibigay na punto sa patlang sa magnitude ng singil na ito.
Kaya, sa isang terahertz accelerator, ang mga field gradient na nararanasan ng mga electron ay maaaring ilang mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa isang maginoo na aparato. Ang sukat ng oras kung saan ang field curvature ay kapansin-pansin ay magiging mas maliit. Ito ay sumusunod mula dito na ang tagal ng ipinakilalang electron beam ay magkakaroon ng mas malinaw na epekto.
Nagpasya ang mga siyentipiko na subukan ang mga teoryang ito sa pagsasanay. Upang gawin ito, ipinakilala nila ang mga electron beam ng iba't ibang tagal, na kinokontrol ng compression gamit ang unang STEAM device (STEAM-buncher).
Larawan #3
Sa kaso kung saan ang compressor ay hindi konektado sa isang pinagmumulan ng kuryente, ang mga beam ng mga electron (55 keV) na may singil na βΌ1 fC (femtocoulomb) ay dumaan ng humigit-kumulang 300 mm mula sa electron gun patungo sa linear accelerator device (STEAM-linac). Ang mga electron na ito ay maaaring lumawak sa ilalim ng impluwensya ng space charge forces hanggang sa isang tagal ng higit sa 1000 fs (femtoseconds).
Sa tagal na ito, sinakop ng electron beam ang halos 60% ng kalahating wavelength ng accelerating field na may dalas na 1,7 ps, na nagreresulta sa isang post-acceleration na spectrum ng enerhiya na may peak sa 115 keV at kalahating lapad ng pamamahagi ng enerhiya higit sa 60 keV (3).
Upang ihambing ang mga resultang ito sa mga inaasahan, ang sitwasyon ng pagpapalaganap ng elektron sa pamamagitan ng isang linear na accelerator ay na-simulate kapag ang mga electron ay hindi naka-sync sa (ibig sabihin, hindi naka-sync sa) ang pinakamainam na oras ng pag-iniksyon. Ang mga kalkulasyon ng sitwasyong ito ay nagpakita na ang pagtaas ng enerhiya ng elektron ay nakadepende sa sandali ng pag-iniksyon, hanggang sa subpicosecond time scale (3b). Iyon ay, na may pinakamainam na setting, ang electron ay makakaranas ng buong kalahating cycle ng terahertz radiation acceleration sa bawat layer (3s).
Kung ang mga electron ay dumating sa iba't ibang oras, nakakaranas sila ng mas kaunting acceleration sa unang layer, na ginagawang mas matagal silang maglakbay dito. Ang desynchronization pagkatapos ay tumataas sa mga sumusunod na layer, na nagiging sanhi ng hindi gustong paghina (3d).
Upang mabawasan ang negatibong epekto ng temporal na extension ng electron beam, ang unang STEAM device ay gumana sa compression mode. Ang tagal ng electron beam sa linac ay na-optimize sa minimum na ~350 fs (kalahating lapad) sa pamamagitan ng pag-tune ng terahertz na enerhiya na ibinibigay sa compressor at paglipat ng linac sa hatch mode (4b).
Larawan #4
Ang minimum na tagal ng beam ay itinakda alinsunod sa tagal ng photocathode UV pulse, na ~600 fs. Ang distansya sa pagitan ng compressor at strip ay gumaganap din ng isang mahalagang papel, na limitado ang bilis ng pampalapot na puwersa. Magkasama, ang mga hakbang na ito ay nagbibigay-daan sa katumpakan ng femtosecond sa yugto ng pag-iniksyon ng yugto ng acceleration.
Sa larawan 4 makikita na ang pagkalat ng enerhiya ng compressed electron beam pagkatapos ng optimized acceleration sa isang linear accelerator ay bumababa ng ~ 4 na beses kumpara sa hindi naka-compress. Dahil sa acceleration, ang energy spectrum ng compressed beam ay inililipat patungo sa mas mataas na energies, sa kaibahan sa uncompressed beam. Ang peak ng spectrum ng enerhiya pagkatapos ng acceleration ay humigit-kumulang 115 keV, at ang high-energy tail ay umabot sa humigit-kumulang 125 keV.
Ang mga figure na ito, ayon sa katamtamang pahayag ng mga siyentipiko, ay isang bagong tala ng acceleration (bago ang acceleration ay 70 keV) sa hanay ng terahertz.
Ngunit upang mabawasan ang pagpapakalat ng enerhiya (4), ang isang mas maikling sinag ay dapat makamit.
Larawan #5
Sa kaso ng isang hindi naka-compress na ipinakilalang sinag, ang parabolic dependence ng laki ng beam sa kasalukuyang nagpapakita ng transverse emittance sa pahalang at patayong direksyon: Ξ΅x,n = 1.703 mm*mrad at Ξ΅y,n = 1.491 mm*mrad (5).
Ang compression, naman, ay nagpabuti ng transverse emittance ng 6 na beses sa Ξ΅x,n = 0,285 mm*mrad (horizontal) at Ξ΅y,n = 0,246 mm*mrad (vertical).
Kapansin-pansin na ang antas ng pagbawas ng emittance ay humigit-kumulang dalawang beses na mas malaki kaysa sa antas ng pagbabawas ng tagal ng sinag, na isang sukatan ng nonlinearity ng dinamika ng pakikipag-ugnayan sa oras kapag ang mga electron ay nakakaranas ng malakas na pagtutok at pag-defocus ng magnetic field sa panahon ng acceleration (5b ΠΈ 5s).
Sa larawan 5b Makikita na ang mga electron na ipinakilala sa pinakamainam na oras ay nakakaranas ng buong kalahating cycle ng electric field acceleration. Ngunit ang mga electron na dumating bago o pagkatapos ng pinakamainam na oras ay nakakaranas ng mas kaunting acceleration at kahit bahagyang deceleration. Ang ganitong mga electron ay nagtatapos sa mas kaunting enerhiya, halos nagsasalita.
Ang isang katulad na sitwasyon ay sinusunod kapag nakalantad sa isang magnetic field. Ang mga electron na na-inject sa pinakamainam na oras ay nakakaranas ng simetriko na dami ng positibo at negatibong magnetic field. Kung ang pagpapakilala ng mga electron ay naganap bago ang pinakamainam na oras, kung gayon mayroong mas maraming positibong mga patlang at mas kaunting mga negatibo. Kung ang mga electron ay ipinakilala sa ibang pagkakataon kaysa sa pinakamainam na oras, magkakaroon ng mas kaunting positibo at mas negatibo (5s). At ang gayong mga paglihis ay humahantong sa katotohanan na ang elektron ay maaaring lumihis sa kaliwa, kanan, pataas o pababa, depende sa posisyon nito na may kaugnayan sa axis, na humahantong sa isang pagtaas sa transverse momentum na naaayon sa pagtutok o pag-defocus ng sinag.
Para sa isang mas detalyadong kakilala sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa ΠΈ sa kanya.
Epilogo
Sa buod, ang pagganap ng accelerator ay tataas kung ang tagal ng electron beam ay nabawasan. Sa gawaing ito, ang maaabot na tagal ng beam ay limitado ng geometry ng pag-install. Ngunit, sa teorya, ang tagal ng beam ay maaaring umabot ng mas mababa sa 100 fs.
Napansin din ng mga siyentipiko na ang kalidad ng beam ay maaaring higit pang mapabuti sa pamamagitan ng pagbabawas ng taas ng mga layer at pagtaas ng kanilang bilang. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay walang mga problema, lalo na ang pagtaas ng pagiging kumplikado ng pagmamanupaktura ng aparato.
Ang gawaing ito ay ang unang yugto ng isang mas malawak at detalyadong pag-aaral ng isang miniature na bersyon ng isang linear accelerator. Sa kabila ng katotohanan na ang nasubok na bersyon ay nagpapakita na ng mahusay na mga resulta, na maaaring matawag na record-breaking, mayroon pa ring maraming trabaho na dapat gawin.
Salamat sa iyong pansin, manatiling mausisa at magkaroon ng magandang linggo sa lahat! π
Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, 30% na diskwento para sa mga gumagamit ng Habr sa isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 beses na mas mura? Dito lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa
Pinagmulan: www.habr.com