Звичний нам принцип «більше означає потужніший» вже давно устоявся у багатьох галузях життя суспільства, зокрема в науці та технологіях. Однак у сучасних реаліях дедалі частіше зустрічається практична реалізація приказки «малий, та удалий». Це проявляється як у комп'ютерах, які раніше займали цілу кімнату, а зараз містяться в долоні дитини, так і в прискорювачах заряджених частинок. Так-так, пам'ятаєте великий адронний колайдер (БАК), значні габарити якого (26 659 м у довжину) буквально вказані в його назві? Так ось, це вже в минулому на думку вчених із DESY, які розробили мініатюрну версію прискорювача, який за показниками не поступається своєму повнорозмірному попереднику. Більше того, міні-прискорювач навіть встановив новий світовий рекорд серед терагерцових прискорювачів, подвоївши енергію впроваджених електронів. Як було розроблено мініатюрний прискорювач, які основні принципи його дії та що показали практичні експерименти? Про це нам допоможе дізнатися доповідь дослідницької групи. Поїхали.
Основа дослідження
За словами Дунфан Чжан (Dongfang Zhang) та його колег із DESY (Німецький Електронний Синхротрон), які й розробили міні-прискорювач, надшвидкі джерела електронів відіграють неймовірно важливу роль у житті сучасного суспільства. Багато хто з них проявляється в медицині, розробці електроніки та в наукових дослідженнях. Найбільшою проблемою нинішніх лінійних прискорювачів, що використовують радіочастотні генератори, є їхня дорожнеча, складність інфраструктури та значні апетити щодо споживаної потужності. А такі недоліки сильно обмежують доступність подібних технологій для ширшого кола користувачів.
Ці очевидні проблеми є відмінним стимулом до розробки пристроїв, розміри яких не викликатимуть жах, як і рівень споживаної потужності.
Серед відносних новинок у цій галузі можна виділити терагерцеві прискорювачі, які мають низку «плюшок»:
- очікується, що короткі хвилі та короткі імпульси терагерцового випромінювання дозволять значно збільшити поріг пробою *, викликаного полем, що дозволить збільшити градієнти прискорення;
Електричний пробій* - Різке зростання сили струму при додатку напруги вище критичного.
- наявність ефективних методів генерації високопольного терагерцового випромінювання дозволяє здійснювати внутрішню синхронізацію між електронами та полями збудження;
- для створення таких пристроїв можуть застосовуватися класичні методи, але їхня вартість, час виробництва та розміри будуть сильно скорочені.
Вчені вважають, що їхній терагерцевий прискорювач у міліметрових масштабах є компромісом між звичайними прискорювачами, що є зараз, і мікро-прискорювачами, які розробляються, але мають безліч недоліків через свої вже дуже малі габарити.
Дослідники не заперечують, що технологія терагерцового прискорення вже якийсь час перебуває у розробці. Однак, на їхню думку, у цій сфері є ще безліч аспектів, які не були вивчені, перевірені чи реалізовані.
У своїй праці, яку ми сьогодні розглядаємо, вчені демонструють можливості STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) - Сегментованого терагерцового електронного прискорювача та маніпулятора. STEAM дозволяє зменшити довжину пучка електронів до субпікосекундної тривалості, забезпечуючи цим фемтосекундний контроль над фазою прискорення.
Вдалося досягти поля прискорення в 200 МВ/м (МВ — мегавольт), що призводить до рекордного терагерцевого прискорення >70 кеВ (кілоелектронвольт) від впровадженого пучка електронів з енергією 55 кеВ. Таким чином було отримано прискорені електрони до 125 кеВ.
Структура пристрою та його реалізація
Зображення №1: схема досліджуваного пристрою.
Зображення №1-2: а — схема розробленої 5-шарової сегментованої структури, b — співвідношення розрахункового прискорення та напрями розповсюдження електронів.
Пучки електронів (55 кеВ) генеруються з електронної гармати* і впроваджуються в терагерцевий STEAM-buncher (компресор пучка), після чого переходять у STEAM-linac (лінійний прискорювач*).
Електронна гармата* - Пристрій генерації пучка електронів необхідної конфігурації та енергії.
Лінійний прискорювач* — прискорювач, у якому заряджені частинки проходять структуру лише один раз, що відрізняє лінійний прискорювач від циклічного (наприклад, ВАК).
Обидва STEAM пристрої отримують терагерцовые імпульси від одного лазера ближнього інфрачервоного світла (NIR), який також запускає фотокатод електронної гармати, що призводить до внутрішньої синхронізації між електронами та полями, що прискорюють. Ультрафіолетові імпульси для фотоемісії на фотокатоді генеруються через дві послідовні стадії ГВГ* основна довжина хвилі ближнього інфрачервоного світла. Цей процес перетворює лазерний імпульс з довжиною хвилі 1020 нм спочатку 510 нм, а потім 255 нм.
ГВГ* (генерація другої оптичної гармоніки) - процес об'єднання фотонів з однаковою частотою під час взаємодії з нелінійним матеріалом, що призводить до формування нових фотонів з подвоєною енергією та частотою, а також удвічі меншою довжиною хвилі.
Решта променя NIR-лазера поділяється на 4 промені, які використовуються для генерації чотирьох одноциклових терагерцових імпульсів за допомогою генерації різниці внутрішньоімпульсних частот.
Два терагерцових імпульси потім надходять у кожне STEAM пристрій через симетричні рогові структури, які направляють терагерцову енергію в область взаємодії поперек напряму поширення електронів.
Коли електрони входять у кожний із STEAM пристрій, вони піддаються впливу електричної та магнітної складових сили Лоренца*.
Сила Лоренца* - Сила, з якою електромагнітне поле впливає на заряджену частинку.
В даному випадку, електричне поле відповідає за прискорення та уповільнення, а магнітне поле викликає поперечні відхилення.
Зображення №2
Як ми бачимо на зображеннях 2а и 2bУсередині кожного STEAM пристрою терагерцовые пучки розділені впоперек тонкими металевими листами в кілька шарів різної товщини, кожен з яких діє як хвилевід, що переносить частину повної енергії в область взаємодії. Також у кожному шарі присутні діелектричні пластини, щоб узгодити час приходу терагерцового хвильового фронту* із фронтом електронів.
Хвильовий фронт* - Поверхня, до якої дійшла хвиля.
Обидва STEAM пристрої працюють в електричному режимі, тобто так, щоб проводити накладання електричного поля та придушення магнітного поля в центрі взаємодії.
У першому пристрої електрони розраховані за часом так, щоб проходити через перетин нуля* терагерцового поля, де тимчасові градієнти електричного поля максимізовані, а середнє поле мінімізовано.
Перетин нуля* - Точка, де немає ніякої напруги.
Така конфігурація викликає прискорення хвоста електронного пучка та уповільнення його голови, що призводить до балістичного поздовжнього фокусування (2а и 2с).
У другому пристрої синхронізація електрона і терагерцового випромінювання встановлюється так, що електронний пучок відчуває лише негативний цикл електричного терагерцового поля. Така конфігурація призводить до безперервного прискорення (2b и 2d).
Лазер з NIR випромінюванням нагадує криогенно охолоджену Yb:YLF систему, яка видає оптичні імпульси з тривалістю 1.2 пс та енергією 50 мДж при довжині хвилі 1020 нм та частоті повторення 10 Гц. А терагерцеві імпульси з центральною частотою 0.29 терагерц (період 3.44 пс) генеруються методом похилого фронту імпульсу.
Для живлення STEAM-buncher (компресор пучка) було використано лише 2 х 50 нДж терагерцовой енергії, а STEAM-linac (лінійний прискорювач) знадобилося 2 х 15 мДж.
Діаметр вхідного та вихідного отворів як обох STEAM пристроїв становить 120 мкм.
Компресор пучка спроектований з трьома шарами однакової висоти (0 мм), які оснащені пластинами з плавленого кварцу (?r =225) завдовжки 4.41 і 0.42 мм для контролю тимчасової синхронізації. Рівні висоти верств компресора відбивають факт те, що прискорення немає (2с).
А ось у лінійному прискорювачі висоти вже відрізняються – 0.225, 0.225 та 0.250 мм (+ пластини з плавленого кварцу 0.42 та 0.84 мм). Збільшення висоти шару пояснює збільшення швидкості електронів під час прискорення.
Вчені відзначають, що кількість шарів відповідає за функціонал кожного з двох пристроїв. Для досягнення вищого ступеня прискорення, наприклад, знадобиться більше шарів та інша конфігурація висот для оптимізації взаємодії.
Результати практичних дослідів
Насамперед дослідники нагадують, що у традиційних прискорювачах з урахуванням радіочастот вплив тимчасової довжини впровадженого електронного пучка на властивості прискореного пучка пов'язані з зміною електричного поля, випробовуваного під час взаємодії різними електронами всередині пучка, які у різний час. Таким чином, можна припустити, що поля з великим градієнтом та пучки з більшою тривалістю призведуть до більшого розкиду енергій. Введені пучки великої тривалості можуть призводити до вищим значенням еміттансів*.
Еміттанс* - Фазовий простір, який займає прискорений пучок заряджених частинок.
У разі ж терагерцового прискорювача період поля збудження приблизно 200 разів коротше. Отже, напруженість* підтримуваного поля буде у 10 разів вищим.
Напруженість електричного поля* - Показник електричного поля, рівний відношенню сили, прикладеної на нерухомий точковий заряд, поміщений в дану точку поля, до величини цього заряду.
Таким чином, у терагерцовому прискорювачі градієнти поля, що випробовуються електронами, можуть бути на кілька порядків вищими, ніж у звичайному пристрої. Тимчасовий масштаб, на якому кривизна поля помітна, при цьому буде значно меншою. З цього випливає, що тривалість пучка електронів, що вводиться, матиме більш виражений вплив.
Вчені практично вирішили перевірити дані теорії. Для цього вони вводили пучки електронів різної тривалості, яка контролювалася стиском за рахунок першого STEAM пристрою (STEAM-buncher).
Зображення №3
У випадку, коли компресор не був підключений до джерела живлення, пучки електронів (55 кеВ) із зарядом 1 фКл (фемтокулон) проходили приблизно 300 мм від електронної гармати до пристрою лінійного прискорювача (STEAM-linac). Ці електрони могли розширюватися під впливом сил просторового заряду до тривалості понад 1000 фс (фемтосекунд).
При такій тривалості електронний пучок займав близько 60% напівхвилі поля, що прискорює, з частотою 1,7 пс, що призводило до енергетичного спектру після прискорення з піком на 115 кеВ і напівшириною розподілу енергії більше 60 кеВ (3а).
Для порівняння цих результатів з очікуваними було змодельовано ситуацію розповсюдження електронів через лінійний прискорювач, коли електрони були розсинхронізовані (тобто не збігаються з) щодо оптимального часу введення. Розрахунки такої ситуації показали, що приріст енергії електронів залежить від моменту введення аж до субпікосекундного тимчасового масштабу (3b). Тобто при оптимальному налаштуванні електрон випробовуватиме повний напівперіод прискорення терагерцового випромінювання в кожному шарі (3с).
Якщо ж електрони прибувають у різний час, то відчувають менше прискорення в першому шарі, від чого їм потрібно більше часу на його проходження. Потім розсинхронізація посилюється в наступних шарах, від чого виникає небажане уповільнення (3d).
Щоб максимально знизити негативний ефект тимчасової протяжності пучка електронів, перший STEAM пристрій працював у режимі стиснення. Тривалість пучка електронів на лінійному прискорювачі була оптимізована до мінімуму ~ 350 фс (напівширина) шляхом налаштування терагерцової енергії, що подається на компресор, і перемикання лінійного прискорювача в режим штрихування (4b).
Зображення №4
Мінімальна тривалість пучка була встановлена відповідно до тривалості УФ-імпульсу фотокатода, тривалість якої становила ~600 фс. Також важливу роль відіграла відстань між компресором та смугою, що обмежувало силу згущення за швидкістю. Спільно ці заходи дозволяють забезпечити фемтосекундну точність фази введення на стадії прискорення.
На зображенні 4а видно, що розкид енергії стисненого електронного пучка після оптимізованого прискорення в лінійному прискорювачі зменшується ~ 4 рази порівняно з стиснутим. За рахунок прискорення енергетичний спектр стисненого пучка зміщується у бік вищих енергій, на відміну несжатого пучка. Пік енергетичного спектра після прискорення становить близько 115 кеВ, а високоенергетичний хвіст досягає 125 кеВ.
Ці показники, за скромною заявою вчених, є новим рекордом прискорення (до прискорення було 70 кев) у терагерцовому діапазоні.
Але щоб зменшити розкид енергії (4а), необхідно досягти ще коротшого пучка.
Зображення №5
У разі стиснутого введеного пучка параболічна залежність розміру пучка від струму виявляє поперечний еміттанс у горизонтальному та вертикальному напрямках: εx,n = 1.703 мм*мрад та εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).
Стиснення ж, у свою чергу, покращило поперечний еміттанс у 6 разів до εx,n = 0,285 мм*мрад (горизонтальний) та εy,n = 0,246 мм*мрад (вертикальний).
Варто зазначити, що ступінь зменшення еміттансу приблизно вдвічі більший, ніж ступінь скорочення тривалості пучка, що є мірою нелінійності динаміки взаємодії з часом, коли електрони зазнають сильного фокусування та дефокусування магнітного поля під час прискорення (5b и 5с).
На зображенні 5b видно, що електрони, введені оптимальне час, відчувають весь напівперіод прискорення електричного поля. А ось електрони, які прибувають до або після оптимального моменту часу, зазнають меншого прискорення і навіть часткового уповільнення. Такі електрони в результаті одержують менше енергії, грубо кажучи.
Схожа ситуація спостерігається і під впливом магнітного поля. Електрони, введені в оптимальний час, відчувають симетричну кількість позитивних та негативних магнітних полів. Якщо ж запровадження електронів відбувалося раніше оптимального часу, було більше позитивних полів і менше негативних. У разі введення електронів пізніше оптимального часу - менше позитивних і більше негативних (5с). А такі відхилення призводять до того, що електрон може відхилитися вліво, вправо, вгору або вниз залежно від положення щодо осі, що призводить до збільшення поперечного імпульсу, що відповідає фокусуванню або дефокусування променя.
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у и до нього.
Епілог
Підсумовуючи, продуктивність прискорювача підвищуватиметься у разі зменшення тривалості пучка електронів. У цьому праці досяжна тривалість пучка була обмежена геометрією установки. Але, теоретично, тривалість пучка може досягати і менше 100 фс.
Також вчені відзначають, що якість пучка можна надалі покращити шляхом зменшення висоти шарів та збільшення їх числа. Однак цей метод не позбавлений проблем, зокрема підвищення складності виробництва пристрою.
Ця праця є початковим етапом найбільш широкого і детального вивчення мініатюрної версії лінійного прискорювача. Незважаючи на те, що випробувана версія вже показує відмінні результати, які можна назвати рекордними, роботи ще багато.
Дякую за увагу, залишайтеся цікавими та хорошим всім робочого тижня, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com