Bilinen "daha fazlası daha güçlüdür" ilkesi, bilim ve teknoloji de dahil olmak üzere toplumun birçok sektöründe uzun süredir yerleşmiş durumda. Ancak modern gerçekliklerde "küçük ama güçlü" ifadesinin pratik uygulaması giderek daha yaygın hale geliyor. Bu, hem daha önce tüm odayı kaplayan, ancak şimdi bir çocuğun avuç içine sığan bilgisayarlarda hem de yüklü parçacık hızlandırıcılarında kendini gösteriyor. Evet, etkileyici boyutları (26 m uzunluğunda) kelimenin tam anlamıyla adında belirtilen Büyük Hadron Çarpıştırıcısını (LHC) hatırlıyor musunuz? Dolayısıyla, hızlandırıcının minyatür bir versiyonunu geliştiren DESY'den bilim adamlarına göre bu, performans açısından tam boyutlu selefine göre daha düşük olmayan, artık geçmişte kaldı. Üstelik mini hızlandırıcı, gömülü elektronların enerjisini iki katına çıkararak terahertz hızlandırıcılar arasında yeni bir dünya rekoru bile kırdı. Minyatür hızlandırıcı nasıl geliştirildi, çalışmasının temel prensipleri neler ve pratik deneyler neler gösterdi? Araştırma grubunun raporu bunu öğrenmemize yardımcı olacaktır. Gitmek.
Araştırma temeli
Mini hızlandırıcıyı geliştiren DESY'deki (Alman Elektron Sinkrotronu) Dongfang Zhang ve meslektaşlarına göre, ultra hızlı elektron kaynakları modern toplumun yaşamında inanılmaz derecede önemli bir rol oynuyor. Birçoğu tıpta, elektronik geliştirmede ve bilimsel araştırmalarda ortaya çıkıyor. Radyo frekansı osilatörlerini kullanan mevcut doğrusal hızlandırıcıların en büyük sorunu yüksek maliyetleri, karmaşık altyapıları ve etkileyici güç tüketimleridir. Ve bu tür eksiklikler, bu tür teknolojilerin daha geniş bir kullanıcı kitlesine ulaşmasını büyük ölçüde sınırlıyor.
Bu bariz sorunlar, boyutu ve güç tüketimi dehşet yaratmayacak cihazlar geliştirmek için büyük bir teşviktir.
Bu sektördeki göreceli yenilikler arasında terahertz hızlandırıcılar yer alıyor ve bunların bir takım “faydaları” var:
- Kısa dalgaların ve kısa terahertz radyasyon darbelerinin eşiği önemli ölçüde artırması bekleniyor. bozulma*ivme gradyanlarını artıracak alanın neden olduğu;
Elektrik arızası* - Kritik değerin üzerinde bir voltaj uygulandığında akım gücünde keskin bir artış.
- yüksek alanlı terahertz radyasyonu üretmek için etkili yöntemlerin varlığı, elektronlar ve uyarılma alanları arasında dahili senkronizasyona olanak tanır;
- Bu tür cihazları oluşturmak için klasik yöntemler kullanılabilir, ancak bunların maliyeti, üretim süresi ve boyutu büyük ölçüde azalacaktır.
Bilim adamları, milimetre ölçeğindeki terahertz hızlandırıcılarının, şu anda mevcut olan geleneksel hızlandırıcılar ile geliştirilmekte olan ancak çok küçük boyutları nedeniyle birçok dezavantaja sahip olan mikro hızlandırıcılar arasında bir uzlaşma olduğuna inanıyor.
Araştırmacılar terahertz hızlandırma teknolojisinin bir süredir geliştirilme aşamasında olduğunu inkar etmiyor. Ancak onların görüşüne göre bu alanda hâlâ araştırılmamış, test edilmemiş veya uygulanmamış birçok yön var.
Bugün ele aldığımız çalışmalarında bilim adamları STEAM'in yeteneklerini gösteriyorlar (bölümlü terahertz elektron hızlandırıcı ve manipülatör) - bölümlü bir terahertz elektron hızlandırıcısı ve manipülatörü. STEAM, elektron ışınının uzunluğunu pikosaniyenin altındaki bir süreye indirmeyi mümkün kılarak hızlanma fazı üzerinde femtosaniyelik kontrol sağlar.
200 keV enerjiye sahip gömülü elektron ışınından > 70 keV (kiloelektronvolt) rekor terahertz ivmeye yol açan 55 MV/m'lik (MV - megavolt) bir ivme alanı elde etmek mümkün oldu. Bu sayede 125 keV'a kadar hızlandırılmış elektronlar elde edildi.
Cihaz yapısı ve uygulaması
Resim No. 1: incelenmekte olan cihazın diyagramı.
Resim No. 1-2: a - geliştirilen 5 katmanlı bölümlü yapının diyagramı, b - hesaplanan ivmenin oranı ve elektron yayılımının yönü.
Elektron ışınları (55 keV) üretilir elektron silahı* ve terahertz STEAM-buncher'a (ışın kompresörü) sokulur, ardından STEAM-linac'a (Doğrusal hızlandırıcı*).
Elektron silahı* - gerekli konfigürasyon ve enerjide bir elektron ışını üretmek için bir cihaz.
Doğrusal hızlandırıcı* - yüklü parçacıkların yapıdan yalnızca bir kez geçtiği, doğrusal bir hızlandırıcıyı döngüsel olandan (örneğin LHC) ayıran bir hızlandırıcı.
Her iki STEAM cihazı da tek bir yakın kızılötesi (NIR) lazerden terahertz darbeleri alır; bu lazer aynı zamanda elektron tabancasının fotokatotunu da ateşleyerek elektronlar ve hızlanan alanlar arasında dahili senkronizasyon sağlar. Fotokatotta foto emisyon için ultraviyole darbeleri birbirini takip eden iki aşamada üretilir GVG* Yakın kızılötesi ışığın temel dalga boyu. Bu işlem, 1020 nm'lik bir lazer darbesini önce 510 nm'ye, ardından 255 nm'ye dönüştürür.
GVG* (optik ikinci harmonik nesil), doğrusal olmayan bir malzeme ile etkileşim sırasında aynı frekanstaki fotonların birleştirilmesi işlemidir; bu, enerji ve frekansın yanı sıra dalga boyunun yarısı kadar yeni fotonların oluşumuna yol açar.
NIR lazer ışınının geri kalanı 4 ışına bölünür ve bunlar, darbe içi frekans farklılıkları oluşturarak dört adet tek döngülü terahertz darbesi üretmek için kullanılır.
Daha sonra iki terahertz darbesi, terahertz enerjisini elektron yayılma yönü boyunca etkileşim bölgesine yönlendiren simetrik boynuz yapıları aracılığıyla her bir STEAM cihazına iletilir.
Elektronlar her STEAM cihazına girdiğinde elektriksel ve manyetik bileşenlere maruz kalırlar. Lorentz kuvvetleri*.
Lorentz kuvveti* - elektromanyetik alanın yüklü bir parçacığa etki ettiği kuvvet.
Bu durumda elektrik alanı hızlanma ve yavaşlamadan sorumludur, manyetik alan ise yanal sapmalara neden olur.
Resim #2
Görsellerde gördüğümüz gibi 2a и 2bHer bir STEAM cihazının içinde terahertz ışınları, ince metal levhalar tarafından enine olarak farklı kalınlıklarda birkaç katmana bölünür; bunların her biri bir dalga kılavuzu görevi görür ve toplam enerjinin bir kısmını etkileşim bölgesine aktarır. Terahertz'in varış zamanını koordine etmek için her katmanda dielektrik plakalar da vardır. dalga cephesi* elektronların ön kısmı ile.
Dalga cephesi* - dalganın ulaştığı yüzey.
Her iki STEAM cihazı da elektriksel modda, yani etkileşim alanının merkezinde bir elektrik alanı oluşturacak ve manyetik alanı bastıracak şekilde çalışır.
İlk cihazda elektronların geçmesi için zaman ayarlanmıştır. sıfır geçiş* elektrik alanının zaman gradyanlarının maksimuma çıktığı ve ortalama alanın minimuma indirildiği terahertz alanı.
Sıfır geçiş* - gerilimin olmadığı bir nokta.
Bu konfigürasyon, elektron ışınının kuyruğunun hızlanmasına ve başının yavaşlamasına neden olarak balistik uzunlamasına odaklanmaya neden olur (2a и 2s).
İkinci cihazda, elektron ve terahertz radyasyonunun senkronizasyonu, elektron ışınının terahertz elektrik alanının yalnızca negatif bir döngüsünü deneyimleyeceği şekilde ayarlanır. Bu konfigürasyon net sürekli bir ivmelenmeyle sonuçlanır (2b и 2d).
NIR lazer, 1.2 nm dalga boyunda ve 50 Hz tekrarlama hızında 1020 ps süreli ve 10 mJ enerjili optik darbeler üreten, kriyojenik olarak soğutulmuş bir Yb:YLF sistemidir. Ve merkezi frekansı 0.29 terahertz (3.44 ps periyodu) olan terahertz darbeleri, eğimli ön darbe yöntemiyle üretilir.
STEAM-buncher'a (ışın kompresörü) güç vermek için yalnızca 2 x 50 nJ terahertz enerji kullanıldı ve STEAM-linac'a (doğrusal hızlandırıcı) 2 x 15 mJ gerek duyuldu.
Her iki STEAM cihazının giriş ve çıkış deliklerinin çapı 120 mikrondur.
Kiriş kompresörü, zamanlamayı kontrol etmek için 0 ve 225 mm uzunluğunda erimiş silika plakalarla (ϵr = 4.41) donatılmış, eşit yükseklikte (0.42 mm) üç katmanla tasarlanmıştır. Kompresör katmanlarının eşit yükseklikleri ivmenin olmadığı gerçeğini yansıtmaktadır (2s).
Ancak doğrusal hızlandırıcıda yükseklikler zaten farklıdır - 0.225, 0.225 ve 0.250 mm (+ erimiş kuvars plakalar 0.42 ve 0.84 mm). Katmanın yüksekliğindeki bir artış, hızlanma sırasında elektronların hızındaki artışı açıklamaktadır.
Bilim insanları, katman sayısının her iki cihazın işlevselliğinden doğrudan sorumlu olduğunu belirtiyor. Örneğin daha yüksek hızlanma oranlarına ulaşmak, etkileşimi optimize etmek için daha fazla katman ve farklı yükseklik konfigürasyonları gerektirecektir.
Pratik deneylerin sonuçları
Öncelikle araştırmacılar, geleneksel radyo frekansı hızlandırıcılarında, gömülü elektron ışınının zamansal boyutunun, hızlandırılmış ışının özellikleri üzerindeki etkisinin, gelen ışın içindeki farklı elektronların etkileşimi sırasında yaşanan elektrik alanındaki değişimden kaynaklandığını hatırlatıyor. farklı zamanlarda. Bu nedenle, daha yüksek gradyanlı alanların ve daha uzun süreli ışınların daha büyük bir enerji yayılımına yol açması beklenebilir. Uzun süreli enjekte edilen ışınlar da daha yüksek değerlere yol açabilir emisyonlar*.
Emisyon* - hızlandırılmış yüklü parçacık ışınının kapladığı faz alanı.
Terahertz hızlandırıcı durumunda, uyarılma alanının periyodu yaklaşık 200 kat daha kısadır. Buradan, tansiyon* desteklenen alan 10 kat daha yüksek olacaktır.
Elektrik alan kuvveti* - alanda belirli bir noktaya yerleştirilen sabit bir nokta yüke uygulanan kuvvetin bu yükün büyüklüğüne oranına eşit olan elektrik alanının bir göstergesi.
Bu nedenle, bir terahertz hızlandırıcıda, elektronların deneyimlediği alan gradyanları, geleneksel bir cihaza göre birkaç kat daha yüksek olabilir. Alan eğriliğinin farkedildiği zaman ölçeği önemli ölçüde daha küçük olacaktır. Bundan, tanıtılan elektron ışınının süresinin daha belirgin bir etkiye sahip olacağı sonucu çıkmaktadır.
Bilim insanları bu teorileri pratikte test etmeye karar verdi. Bunu yapmak için, ilk STEAM cihazı (STEAM-buncher) kullanılarak sıkıştırılarak kontrol edilen farklı sürelerdeki elektron ışınlarını tanıttılar.
Resim #3
Kompresörün bir güç kaynağına bağlı olmadığı durumda, ~55 fC (femtocoulomb) yüklü elektron ışınları (1 keV), elektron tabancasından doğrusal hızlandırıcı cihaza (STEAM-linac) yaklaşık 300 mm geçti. Bu elektronlar, uzay yükü kuvvetlerinin etkisi altında 1000 fs'den (femtosaniye) daha uzun bir süreye kadar genişleyebilir.
Bu süre zarfında, elektron ışını, 60 ps'lik bir frekansla hızlanan alanın yarı dalga boyunun yaklaşık %1,7'ını kapladı ve bu, 115 keV'de bir zirveye ve enerji dağılımının yarı genişliğine sahip bir hızlanma sonrası enerji spektrumuyla sonuçlandı. 60 keV'den büyük (3a).
Bu sonuçları beklenenlerle karşılaştırmak için, elektronların optimal enjeksiyon süresiyle senkronizasyonunun bozulduğu (yani senkronizasyonun bozulduğu) bir doğrusal hızlandırıcı yoluyla elektron yayılımının durumu simüle edildi. Bu duruma ilişkin hesaplamalar, elektron enerjisindeki artışın pikosaniyenin altındaki bir zaman ölçeğine kadar enjeksiyon anına oldukça bağlı olduğunu gösterdi (3b). Yani, optimal bir ayarla elektron, her katmanda terahertz radyasyon ivmesinin tam yarım döngüsünü deneyimleyecektir (3s).
Elektronlar farklı zamanlarda gelirlerse, ilk katmanda daha az hızlanma yaşarlar, bu da onların bu katmanda seyahat etmelerinin daha uzun sürmesine neden olur. Daha sonra senkronizasyonun bozulması sonraki katmanlarda artarak istenmeyen yavaşlamaya neden olur (3d).
Elektron ışınının zamansal uzantısının olumsuz etkisini en aza indirmek için ilk STEAM cihazı sıkıştırma modunda çalıştırıldı. Linaktaki elektron ışın süresi, kompresöre sağlanan terahertz enerjisinin ayarlanması ve linak'ın tarama moduna geçirilmesiyle minimum ~350 fs'ye (yarım genişlik) optimize edildi (4b).
Resim #4
Minimum ışın süresi, ~600 fs olan fotokatot UV darbesinin süresine göre ayarlandı. Kompresör ile şerit arasındaki mesafe de yoğunlaştırma kuvvetinin hızını sınırlayan önemli bir rol oynadı. Bu ölçümler birlikte, hızlanma aşamasının enjeksiyon aşamasında femtosaniye hassasiyetini mümkün kılar.
resim üzerinde 4a doğrusal bir hızlandırıcıda optimize edilmiş hızlanmanın ardından sıkıştırılmış elektron ışınının enerji yayılımının, sıkıştırılmamış olana kıyasla ~ 4 kat azaldığı görülebilir. Hızlanma nedeniyle, sıkıştırılmış ışının enerji spektrumu, sıkıştırılmamış ışının aksine daha yüksek enerjilere doğru kayar. Hızlanma sonrasında enerji spektrumunun zirvesi yaklaşık 115 keV'dir ve yüksek enerjili kuyruk yaklaşık 125 keV'ye ulaşır.
Bilim adamlarının mütevazı ifadesine göre bu rakamlar, terahertz aralığında yeni bir ivme rekorudur (ivmelenmeden önce 70 keV idi).
Ancak enerji dağılımını azaltmak için (4a), daha da kısa bir ışın elde edilmelidir.
Resim #5
Sıkıştırılmamış bir ışın durumunda, ışın boyutunun akıma parabolik bağımlılığı, yatay ve dikey yönlerde enine yayılımı ortaya çıkarır: εx,n = 1.703 mm*mrad ve εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
Sıkıştırma, enine yayılımı 6 kat artırarak εx,n = 0,285 mm*mrad (yatay) ve εy,n = 0,246 mm*mrad (dikey) değerine yükseltti.
Yayma azalma derecesinin, ışın süresi azalma derecesinin yaklaşık iki katı kadar büyük olduğunu belirtmekte fayda vardır; bu, elektronların hızlanma sırasında manyetik alanda güçlü bir odaklanma ve odaklanma kaybı yaşadığı zaman etkileşim dinamiklerinin zamanla doğrusal olmayanlığının bir ölçüsüdür (5b и 5s).
resim üzerinde 5b Optimum zamanda verilen elektronların, elektrik alan ivmesinin tüm yarım döngüsünü deneyimlediği görülebilir. Ancak optimal zamandan önce veya sonra gelen elektronlar daha az hızlanma ve hatta kısmi yavaşlama yaşarlar. Kabaca konuşursak, bu tür elektronlar daha az enerjiye sahip olur.
Manyetik alana maruz kaldığında da benzer bir durum gözlenir. Optimum zamanda enjekte edilen elektronlar simetrik miktarda pozitif ve negatif manyetik alanla karşılaşır. Elektronların girişi optimal zamandan önce meydana gelirse, o zaman daha fazla pozitif alan ve daha az negatif alan vardı. Elektronlar optimal zamandan daha geç verilirse, daha az pozitif ve daha fazla negatif olacaktır (5s). Ve bu tür sapmalar, elektronun eksene göre konumuna bağlı olarak sola, sağa, yukarı veya aşağı sapabilmesine yol açar, bu da ışının odaklanmasına veya odaklanmamasına karşılık gelen enine momentumda bir artışa yol açar.
Çalışmanın nüansları hakkında daha ayrıntılı bilgi için, şuna bakmanızı tavsiye ederim: и ona.
Sonuç bölümü
Özetle, elektron ışınının süresi kısaltılırsa hızlandırıcı performansı artacaktır. Bu çalışmada ulaşılabilir ışın süresi kurulumun geometrisi ile sınırlandırılmıştır. Ancak teorik olarak ışın süresi 100 fs'nin altına ulaşabilir.
Bilim adamları ayrıca, katmanların yüksekliğinin azaltılması ve sayısının arttırılmasıyla ışın kalitesinin daha da iyileştirilebileceğini belirtiyor. Ancak bu yöntem sorunsuz değildir, özellikle de cihazın imalatının karmaşıklığını arttırır.
Bu çalışma, doğrusal hızlandırıcının minyatür versiyonunun daha kapsamlı ve ayrıntılı çalışmasının ilk aşamasıdır. Test edilen sürümün halihazırda rekor olarak adlandırılabilecek mükemmel sonuçlar vermesine rağmen, hala yapılacak çok iş var.
İlginiz için teşekkür ederiz, merakla kalın ve herkese iyi haftalar! 🙂
Bizimle kaldığın için teşekkürler. Yazılarımızı beğeniyor musunuz? Daha ilginç içerik görmek ister misiniz? Sipariş vererek veya arkadaşlarınıza tavsiye ederek bize destek olun, Habr kullanıcıları için, bizim tarafımızdan sizin için icat ettiğimiz benzersiz bir giriş seviyesi sunucu analogunda %30 indirim: (RAID1 ve RAID10, 24 adede kadar çekirdek ve 40 GB'a kadar DDR4 ile mevcuttur).
Dell R730xd 2 kat daha mı ucuz? Sadece burada Hollanda'da! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99$'dan! Hakkında oku
Kaynak: habr.com