Jamiyatning ko'plab sohalarida, jumladan, fan va texnologiyada "ko'proq kuchliroq" degan tanish tamoyil uzoq vaqtdan beri o'rnatilgan. Biroq, zamonaviy voqelikda "kichik, ammo qudratli" iborasini amalda qo'llash tobora keng tarqalgan. Bu avvallari butun xonani egallagan, ammo endi bolaning kaftiga sig'adigan kompyuterlarda ham, zaryadlangan zarracha tezlatgichlarida ham namoyon bo'ladi. Ha, ta'sirchan o'lchamlari (uzunligi 26 659 m) nomida tom ma'noda ko'rsatilgan Katta adron kollayderini (LHC) eslaysizmi? Shunday qilib, DESY olimlarining fikriga ko'ra, bu o'tmishda qoldi, ular tezlatgichning miniatyura versiyasini ishlab chiqdilar, bu unumdorligi bo'yicha to'liq o'lchamli avvalgisidan qolishmaydi. Bundan tashqari, mini tezlatgich hatto teragerts tezlatgichlari orasida yangi jahon rekordini o'rnatdi va o'rnatilgan elektronlarning energiyasini ikki baravar oshirdi. Miniatyura tezlatgichi qanday ishlab chiqilgan, uning ishlashining asosiy tamoyillari qanday va amaliy tajribalar nimani ko'rsatdi? Tadqiqot guruhining hisoboti bu haqda bilishga yordam beradi. Bor.
Tadqiqot asoslari
Dongfang Chjan va uning mini tezlatkichni ishlab chiqqan DESY (Germaniya Elektron Sinxrotroni)dagi hamkasblariga ko‘ra, o‘ta tez elektron manbalar zamonaviy jamiyat hayotida nihoyatda muhim rol o‘ynaydi. Ularning ko'pchiligi tibbiyotda, elektronikani ishlab chiqishda va ilmiy tadqiqotlarda paydo bo'ladi. Radiochastota osilatorlaridan foydalanadigan joriy chiziqli tezlatgichlarning eng katta muammosi ularning yuqori narxi, murakkab infratuzilmasi va ta'sirchan quvvat iste'moli hisoblanadi. Va bunday kamchiliklar bunday texnologiyalarning kengroq foydalanuvchilar doirasi uchun mavjudligini sezilarli darajada cheklaydi.
Ushbu aniq muammolar o'lchamlari va quvvat iste'moli dahshatga olib kelmaydigan qurilmalarni ishlab chiqish uchun ajoyib rag'batdir.
Ushbu sohadagi nisbiy yangiliklar orasida terahertz tezlatgichlari mavjud bo'lib, ular bir qator "foydalar" ga ega:
- Teragerts nurlanishining qisqa to'lqinlari va qisqa pulslari chegarani sezilarli darajada oshirishi kutilmoqda. sindirish*, maydondan kelib chiqadi, bu tezlashuv gradientlarini oshiradi;
Elektr uzilishi* - kritikdan yuqori kuchlanish qo'llanilganda oqim kuchining keskin oshishi.
- yuqori maydonli terahertz nurlanishini yaratish uchun samarali usullarning mavjudligi elektronlar va qo'zg'alish maydonlari o'rtasida ichki sinxronizatsiya qilish imkonini beradi;
- Bunday qurilmalarni yaratish uchun klassik usullardan foydalanish mumkin, ammo ularning narxi, ishlab chiqarish vaqti va hajmi sezilarli darajada kamayadi.
Olimlarning fikriga ko'ra, ularning millimetrli teragerts tezlatgichi hozirda mavjud bo'lgan an'anaviy tezlatgichlar va ishlab chiqilayotgan mikro tezlatgichlar o'rtasidagi kelishuvdir, lekin ularning juda kichik o'lchamlari tufayli ko'plab kamchiliklarga ega.
Tadqiqotchilar terahertz tezlashtirish texnologiyasi bir muncha vaqt davomida ishlab chiqilayotganini inkor etmaydilar. Biroq, ularning fikricha, bu sohada hali o‘rganilmagan, sinovdan o‘tkazilmagan, hayotga tatbiq etilmagan jihatlari ko‘p.
Bugun biz ko'rib chiqayotgan ishlarida olimlar STEAM imkoniyatlarini namoyish etadilar (segmentli terahertz elektron tezlatgich va manipulyator) - segmentlangan teragerts elektron tezlatgich va manipulyator. STEAM elektron nurning uzunligini pikosekunddan past davomiygacha qisqartirish imkonini beradi va shu bilan tezlashuv fazasi ustidan femtosekundlik nazoratni ta'minlaydi.
200 MV/m (MV - megavolt) tezlashuv maydoniga erishish mumkin bo'ldi, bu esa 70 keV energiyaga ega bo'lgan o'rnatilgan elektron nuridan > 55 keV (kiloelektronvolt) teragerts rekord darajada tezlashishiga olib keladi. Shu tarzda 125 keV gacha tezlashtirilgan elektronlar olindi.
Qurilmaning tuzilishi va amalga oshirilishi
Rasm № 1: o'rganilayotgan qurilmaning diagrammasi.
Rasm No 1-2: a - ishlab chiqilgan 5 qatlamli segmentli strukturaning diagrammasi, b - hisoblangan tezlashuv va elektron tarqalish yo'nalishi nisbati.
dan elektron nurlar (55 keV) hosil bo'ladi elektron qurol* va terahertz STEAM-buncher (nurli kompressor) ga kiritiladi, shundan so'ng ular STEAM-linacga o'tadi (chiziqli tezlatgich*).
Elektron qurol* — kerakli konfiguratsiya va energiyadagi elektronlar nurini hosil qilish uchun qurilma.
Chiziqli tezlatgich* - zaryadlangan zarralar strukturadan faqat bir marta o'tadigan tezlatgich, bu chiziqli tezlatgichni tsiklikdan ajratib turadi (masalan, LHC).
Ikkala STEAM qurilmasi ham bitta yaqin infraqizil (NIR) lazerdan terahertz impulslarini oladi, bu esa elektron qurolning fotokatodini ham ishga tushiradi, natijada elektronlar va tezlashtiruvchi maydonlar o'rtasida ichki sinxronizatsiya sodir bo'ladi. Fotokatodda fotoemissiya uchun ultrabinafsha impulslar ketma-ket ikki bosqichda hosil bo'ladi GVG* yaqin infraqizil yorug'likning asosiy to'lqin uzunligi. Bu jarayon 1020 nm lazer zarbasini avval 510 nm ga, keyin esa 255 nm ga aylantiradi.
GVG* (optik ikkinchi garmonik avlod) - chiziqli bo'lmagan material bilan o'zaro ta'sir qilishda bir xil chastotali fotonlarni birlashtirish jarayoni bo'lib, bu ikki barobar energiya va chastotaga, shuningdek, to'lqin uzunligining yarmiga ega bo'lgan yangi fotonlarning shakllanishiga olib keladi.
NIR lazer nurlarining qolgan qismi 4 ta nurga bo'linadi, ular impuls ichidagi chastota farqlarini yaratish orqali to'rtta bir davrli terahertz impulslarini yaratish uchun ishlatiladi.
Keyin ikkita terahertz impulslari har bir STEAM qurilmasiga simmetrik shoxli tuzilmalar orqali etkaziladi, ular terahertz energiyasini elektron tarqalish yo'nalishi bo'ylab o'zaro ta'sir hududiga yo'naltiradi.
Elektronlar har bir STEAM qurilmasiga kirganda, ular elektr va magnit komponentlarga ta'sir qiladi Lorents kuchlari*.
Lorents kuchi* - elektromagnit maydon zaryadlangan zarrachaga ta'sir qiladigan kuch.
Bunday holda, elektr maydoni tezlashuv va sekinlashuv uchun javobgardir va magnit maydon lateral burilishlarni keltirib chiqaradi.
Rasm №2
Rasmlarda ko'rib turganimizdek 2а и 2b, Har bir STEAM qurilmasi ichida teragerts nurlari yupqa metall plitalar orqali ko‘ndalang yo‘nalishda turli qalinlikdagi bir necha qatlamlarga bo‘linadi, ularning har biri to‘lqin o‘tkazgich vazifasini o‘taydi va umumiy energiyaning bir qismini o‘zaro ta’sir hududiga o‘tkazadi. Har bir qatlamda teragertsning kelish vaqtini muvofiqlashtirish uchun dielektrik plitalar ham mavjud to'lqinli old * elektronlarning old tomoni bilan.
To'lqinli front* - to'lqin yetib borgan sirt.
Ikkala STEAM qurilmasi ham elektr rejimida ishlaydi, ya'ni elektr maydonini ta'sir qiladigan va o'zaro ta'sir doirasi markazida magnit maydonni bostiradigan tarzda ishlaydi.
Birinchi qurilmada elektronlar orqali o'tish vaqti belgilanadi nol o'tish* terahertz maydoni, bu erda elektr maydonining vaqt gradientlari maksimallashtiriladi va o'rtacha maydon minimallashtiriladi.
Nolinchi o'tish* - keskinlik bo'lmagan nuqta.
Ushbu konfiguratsiya elektron nurning dumining tezlashishiga va uning boshining sekinlashishiga olib keladi, natijada ballistik bo'ylama fokuslanadi (2а и 2 soniya).
Ikkinchi qurilmada elektron va terahertz nurlanishining sinxronizatsiyasi shunday o'rnatiladiki, elektron nur faqat terahertz elektr maydonining salbiy aylanishini boshdan kechiradi. Ushbu konfiguratsiya aniq uzluksiz tezlashuvga olib keladi (2b и 2d).
NIR lazer kriyojenik sovutilgan Yb: YLF tizimi bo'lib, u 1.2 nm to'lqin uzunligi va 50 Gts takrorlash tezligida 1020 ps davomiyligi va 10 mJ energiyali optik impulslarni ishlab chiqaradi. Va markaziy chastotasi 0.29 terahertz (3.44 ps davri) bo'lgan terahertz impulslari eğimli impuls oldingi usuli bilan hosil qilinadi.
STEAM-buncherni (nurli kompressor) quvvatlantirish uchun atigi 2 x 50 nJ terahertz energiyasi ishlatilgan va STEAM-linac (chiziqli tezlatgich) uchun 2 x 15 mJ kerak bo'lgan.
Ikkala STEAM qurilmasining kirish va chiqish teshiklarining diametri 120 mikron.
Nurli kompressor bir xil balandlikdagi (0 mm) uchta qatlamdan iborat bo'lib, ular vaqtni nazorat qilish uchun uzunligi 225 va 4.41 mm bo'lgan eritilgan silika plitalari (sr = 0.42) bilan jihozlangan. Kompressor qatlamlarining teng balandliklari tezlashuv yo'qligini aks ettiradi (2 soniya).
Ammo chiziqli tezlatgichda balandliklar allaqachon boshqacha - 0.225, 0.225 va 0.250 mm (+ eritilgan kvarts plitalari 0.42 va 0.84 mm). Qatlam balandligining oshishi tezlanish vaqtida elektronlar tezligining oshishini tushuntiradi.
Olimlarning ta'kidlashicha, qatlamlar soni ikkita qurilmaning har birining funksionalligi uchun bevosita javobgardir. Yuqori tezlikka erishish, masalan, o'zaro ta'sirni optimallashtirish uchun ko'proq qatlamlar va turli balandlik konfiguratsiyalarini talab qiladi.
Amaliy tajribalar natijalari
Birinchidan, tadqiqotchilarning eslatishicha, an'anaviy radiochastota tezlatgichlarida o'rnatilgan elektron nurlarining vaqtinchalik hajmining tezlashtirilgan nurning xususiyatlariga ta'siri keladigan nur ichidagi turli elektronlarning o'zaro ta'siri paytida yuzaga keladigan elektr maydonining o'zgarishi bilan bog'liq. turli vaqtlarda. Shunday qilib, yuqori gradientli maydonlar va uzoqroq davom etadigan nurlar energiyaning katta tarqalishiga olib kelishini kutish mumkin. Uzoq muddatli AOK qilingan nurlar ham yuqori qiymatlarga olib kelishi mumkin emissiyalar*.
Emissiya* — zaryadlangan zarrachalarning tezlashtirilgan dastasi egallagan faza fazosi.
Teragerts tezlatgichida qo'zg'alish maydonining davri taxminan 200 marta qisqaroq. Demak, kuchlanish* qo'llab-quvvatlanadigan maydon 10 barobar yuqori bo'ladi.
Elektr maydon kuchi* - maydonning ma'lum bir nuqtasida joylashgan statsionar nuqta zaryadiga qo'llaniladigan kuchning ushbu zaryadning kattaligiga nisbatiga teng bo'lgan elektr maydonining ko'rsatkichi.
Shunday qilib, terahertz tezlatgichida elektronlar tomonidan boshdan kechiriladigan maydon gradientlari an'anaviy qurilmaga qaraganda bir necha marta kattaroq bo'lishi mumkin. Maydon egriligi sezilarli bo'lgan vaqt shkalasi sezilarli darajada kichikroq bo'ladi. Bundan kelib chiqadiki, kiritilgan elektron nurning davomiyligi yanada aniqroq ta'sir qiladi.
Olimlar ushbu nazariyalarni amalda sinab ko'rishga qaror qilishdi. Buning uchun ular birinchi STEAM qurilmasi (STEAM-buncher) yordamida siqish orqali boshqariladigan turli muddatdagi elektron nurlarini kiritdilar.
Rasm №3
Kompressor quvvat manbaiga ulanmagan bo'lsa, zaryadi ~55 fC (femtokoulomb) bo'lgan elektronlar nurlari (1 keV) elektron tabancadan chiziqli tezlatgichga (STEAM-linac) taxminan 300 mm o'tdi. Ushbu elektronlar kosmik zaryad kuchlari ta'sirida 1000 fs (femtosekundlar) dan ortiq davomiylikgacha kengayishi mumkin edi.
Ushbu muddatda elektron nur 60 ps chastotada tezlashuvchi maydonning yarim to'lqin uzunligining taxminan 1,7% ni egalladi, natijada tezlashuvdan keyingi energiya spektri 115 keV cho'qqisiga va energiya taqsimotining yarmi kengligiga ega bo'ldi. 60 keV dan yuqori (3а).
Ushbu natijalarni kutilgan natijalar bilan solishtirish uchun elektronlar optimal in'ektsiya vaqti bilan sinxronlanmagan (ya'ni, sinxronlanmagan) bo'lsa, chiziqli tezlatgich orqali elektronning tarqalishi holati simulyatsiya qilingan. Ushbu holatning hisob-kitoblari shuni ko'rsatdiki, elektron energiyasining ortishi in'ektsiya momentiga juda bog'liq bo'lib, subpikosekundlik vaqt shkalasigacha (3b). Ya'ni, optimal sozlash bilan elektron har bir qatlamda terahertz nurlanish tezlashishining to'liq yarim tsiklini boshdan kechiradi (3 soniya).
Agar elektronlar turli vaqtlarda kelsa, ular birinchi qatlamda kamroq tezlanishni boshdan kechiradilar, bu esa ular bo'ylab sayohat qilish uchun ko'proq vaqt talab etadi. Keyin sinxronizatsiya keyingi qatlamlarda kuchayadi, bu esa kiruvchi sekinlashuvga olib keladi (3d).
Elektron nurning vaqtinchalik kengayishining salbiy ta'sirini minimallashtirish uchun birinchi STEAM qurilmasi siqish rejimida ishladi. Kompressorga etkazib beriladigan terahertz energiyasini sozlash va linakni lyuk rejimiga o'tkazish orqali linakdagi elektron nurlarining davomiyligi kamida ~350 fs (yarim kenglik) ga optimallashtirildi (4b).
Rasm №4
Minimal nurlanish davomiyligi ~600 fs bo'lgan fotokatodli UV pulsning davomiyligiga muvofiq o'rnatildi. Kompressor va chiziq orasidagi masofa ham muhim rol o'ynadi, bu esa qalinlashtiruvchi kuchning tezligini chekladi. Birgalikda bu chora-tadbirlar tezlashuv bosqichining in'ektsiya bosqichida femtosekundlik aniqlikni ta'minlaydi.
Rasmda 4а chiziqli tezlatgichda optimallashtirilgan tezlanishdan keyin siqilgan elektron nurining energiya tarqalishi siqilmaganga nisbatan ~ 4 baravar kamayganini ko'rish mumkin. Tezlanish tufayli siqilgan nurning energiya spektri siqilmagan nurdan farqli o'laroq, yuqori energiyalar tomon siljiydi. Tezlanishdan keyin energiya spektrining cho'qqisi taxminan 115 keV, yuqori energiyali quyruq esa taxminan 125 keV ga etadi.
Olimlarning kamtarona bayonotiga ko'ra, bu raqamlar teragerts diapazonida tezlashuvning yangi rekordidir (tezlanishdan oldin u 70 keV edi).
Ammo energiya tarqalishini kamaytirish uchun (4а), undan ham qisqaroq nurga erishish kerak.
Rasm №5
Siqilmagan kiritilgan nurda nur o'lchamining oqimga parabolik bog'liqligi gorizontal va vertikal yo'nalishdagi ko'ndalang nurlanishni aniqlaydi: ex,n = 1.703 mm*mrad va ey,n = 1.491 mm*mrad (5а).
Siqish, o'z navbatida, ko'ndalang nurlanishni 6 marta ex,n = 0,285 mm*mrad (gorizontal) va ey,n = 0,246 mm*mrad (vertikal) ga oshirdi.
Shuni ta'kidlash kerakki, emissiyaning qisqarish darajasi nurlanish davomiyligining qisqarish darajasidan taxminan ikki baravar katta, bu elektronlar tezlashuv paytida magnit maydonning kuchli fokuslanishi va defokuslanishini boshdan kechirgan vaqt bilan o'zaro ta'sir dinamikasining chiziqli emasligining o'lchovidir (5b и 5 soniya).
Rasmda 5b Ko'rinib turibdiki, optimal vaqtda kiritilgan elektronlar elektr maydoni tezlashishining butun yarim davrini boshdan kechiradi. Ammo optimal vaqtdan oldin yoki keyin kelgan elektronlar kamroq tezlanish va hatto qisman sekinlashuvni boshdan kechiradi. Bunday elektronlar, taxminan, kamroq energiya bilan yakunlanadi.
Xuddi shunday holat magnit maydon ta'sirida ham kuzatiladi. Optimal vaqtda AOK qilingan elektronlar nosimmetrik miqdordagi musbat va manfiy magnit maydonlarni boshdan kechiradi. Agar elektronlarning kiritilishi optimal vaqtdan oldin sodir bo'lgan bo'lsa, unda ijobiy maydonlar ko'proq va salbiylar kamroq edi. Agar elektronlar optimal vaqtdan kechroq kiritilsa, ular kamroq ijobiy va ko'proq salbiy bo'ladi (5 soniya). Va bunday og'ishlar elektronning o'qga nisbatan holatiga qarab chapga, o'ngga, yuqoriga yoki pastga siljishiga olib keladi, bu esa nurning fokuslanishi yoki defokuslanishiga mos keladigan ko'ndalang momentumning oshishiga olib keladi.
Tadqiqotning nuanslari bilan batafsilroq tanishish uchun men qarashni tavsiya qilaman и unga.
Epilog
Xulosa qilib aytganda, elektron nurning davomiyligi kamaytirilsa, tezlatgichning ishlashi ortadi. Ushbu ishda erishish mumkin bo'lgan nurning davomiyligi o'rnatishning geometriyasi bilan cheklangan. Ammo, nazariy jihatdan, nurning davomiyligi 100 fs dan kam bo'lishi mumkin.
Olimlar, shuningdek, qatlamlarning balandligini kamaytirish va ularning sonini ko'paytirish orqali nurning sifatini yanada yaxshilash mumkinligini ta'kidlamoqda. Biroq, bu usul muammosiz emas, xususan, qurilmani ishlab chiqarishning murakkabligini oshiradi.
Ushbu ish chiziqli tezlatgichning miniatyura versiyasini yanada kengroq va batafsil o'rganishning dastlabki bosqichidir. Sinovdan o'tgan versiya allaqachon ajoyib natijalarni ko'rsatayotganiga qaramay, buni haqli ravishda rekord darajadagi deb atash mumkin, hali ko'p ish qilish kerak.
O'qiganingiz uchun tashakkur, qiziquvchan bo'ling va haftani ajoyib o'tkazing! 🙂
Biz bilan qolganingiz uchun tashakkur. Bizning maqolalarimiz sizga yoqdimi? Yana qiziqarli tarkibni ko'rishni xohlaysizmi? Buyurtma berish yoki do'stlaringizga tavsiya qilish orqali bizni qo'llab-quvvatlang, Habr foydalanuvchilari uchun biz siz uchun ixtiro qilingan boshlang'ich darajadagi serverlarning noyob analogiga 30% chegirma: (RAID1 va RAID10, 24 tagacha yadro va 40 Gb gacha DDR4 bilan mavjud).
Dell R730xd 2 barobar arzonmi? Faqat shu yerda Gollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! Haqida o'qing
Manba: www.habr.com