Nguyên tắc quen thuộc “càng nhiều càng mạnh” đã được thiết lập từ lâu trong nhiều lĩnh vực của xã hội, trong đó có khoa học công nghệ. Tuy nhiên, trong thực tế hiện đại, việc thực hiện câu nói “nhỏ mà có võ” ngày càng trở nên phổ biến. Điều này được thể hiện cả ở máy tính, trước đây chiếm cả một căn phòng, nhưng giờ nằm gọn trong lòng bàn tay của một đứa trẻ, và trong máy gia tốc hạt tích điện. Vâng, bạn có nhớ Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC), có kích thước ấn tượng (dài 26 m) được ghi rõ trong tên của nó không? Vì vậy, đây đã là quá khứ theo các nhà khoa học từ DESY, những người đã phát triển một phiên bản thu nhỏ của máy gia tốc, có hiệu suất không thua kém so với phiên bản tiền nhiệm kích thước đầy đủ của nó. Hơn nữa, máy gia tốc mini thậm chí còn lập kỷ lục thế giới mới trong số các máy gia tốc terahertz, tăng gấp đôi năng lượng của các electron nhúng. Máy gia tốc thu nhỏ được phát triển như thế nào, nguyên lý hoạt động cơ bản của nó là gì và các thí nghiệm thực tế đã cho thấy điều gì? Báo cáo của nhóm nghiên cứu sẽ giúp chúng ta tìm hiểu về điều này. Đi.
Cơ sở nghiên cứu
Theo Dongfang Zhang và các đồng nghiệp của ông tại DESY (Electron Synchrotron của Đức), người đã phát triển máy gia tốc mini, các nguồn electron cực nhanh đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong đời sống của xã hội hiện đại. Nhiều trong số chúng xuất hiện trong y học, phát triển điện tử và nghiên cứu khoa học. Vấn đề lớn nhất với các máy gia tốc tuyến tính sử dụng bộ dao động tần số vô tuyến hiện nay là chi phí cao, cơ sở hạ tầng phức tạp và mức tiêu thụ điện năng ấn tượng. Và những thiếu sót như vậy đã hạn chế rất nhiều sự sẵn có của những công nghệ như vậy đối với nhiều đối tượng người dùng hơn.
Những vấn đề rõ ràng này là động lực lớn để phát triển các thiết bị có kích thước và mức tiêu thụ điện năng sẽ không gây kinh dị.
Trong số những điểm mới tương đối trong ngành này có máy gia tốc terahertz, chúng có một số “lợi ích”:
- Người ta hy vọng rằng các sóng ngắn và xung ngắn của bức xạ terahertz sẽ làm tăng đáng kể ngưỡng phá vỡ*, do trường gây ra, sẽ làm tăng gradient gia tốc;
Sự cố điện* - cường độ dòng điện tăng mạnh khi đặt điện áp trên mức tới hạn.
- sự hiện diện của các phương pháp hiệu quả để tạo ra bức xạ terahertz trường cao cho phép đồng bộ hóa bên trong giữa các electron và trường kích thích;
- Các phương pháp cổ điển có thể được sử dụng để tạo ra những thiết bị như vậy nhưng chi phí, thời gian sản xuất và kích thước của chúng sẽ giảm đi đáng kể.
Các nhà khoa học tin rằng máy gia tốc terahertz quy mô milimet của họ là sự kết hợp giữa máy gia tốc thông thường hiện có và máy gia tốc vi mô đang được phát triển, nhưng có nhiều nhược điểm do kích thước rất nhỏ của chúng.
Các nhà nghiên cứu không phủ nhận rằng công nghệ tăng tốc terahertz đã được phát triển được một thời gian. Tuy nhiên, theo quan điểm của họ, vẫn còn nhiều khía cạnh trong lĩnh vực này chưa được nghiên cứu, thử nghiệm hoặc triển khai.
Trong công việc của họ mà chúng tôi đang xem xét ngày hôm nay, các nhà khoa học đã chứng minh khả năng của STEAM (máy gia tốc và thao tác điện tử terahertz phân đoạn) - máy gia tốc và máy điều khiển điện tử terahertz phân đoạn. STEAM cho phép giảm độ dài của chùm tia điện tử xuống khoảng thời gian dưới pico giây, từ đó cung cấp khả năng kiểm soát femto giây trong giai đoạn tăng tốc.
Có thể đạt được trường gia tốc 200 MV/m (MV - megavolt), dẫn đến gia tốc terahertz kỷ lục > 70 keV (kiloelectronvolt) từ chùm electron nhúng có năng lượng 55 keV. Bằng cách này, thu được các electron được gia tốc lên tới 125 keV.
Cấu trúc và triển khai thiết bị
Hình ảnh số 1: Sơ đồ thiết bị đang nghiên cứu.
Ảnh số 1-2: a - sơ đồ cấu trúc phân đoạn 5 lớp đã phát triển, b - tỷ số giữa gia tốc tính toán và hướng truyền electron.
Chùm tia điện tử (55 keV) được tạo ra từ súng điện tử* và được đưa vào terahertz STEAM-buncher (máy nén chùm), sau đó chúng đi vào STEAM-linac (Máy gia tốc tuyến tính*).
Súng điện tử* - thiết bị tạo ra chùm electron có cấu hình và năng lượng cần thiết.
Máy gia tốc tuyến tính* - máy gia tốc trong đó các hạt tích điện chỉ đi qua cấu trúc một lần, giúp phân biệt máy gia tốc tuyến tính với máy gia tốc tuần hoàn (ví dụ, LHC).
Cả hai thiết bị STEAM đều nhận được xung terahertz từ một tia laser cận hồng ngoại (NIR), tia laser này cũng bắn ra quang âm của súng điện tử, dẫn đến sự đồng bộ hóa bên trong giữa các electron và trường gia tốc. Các xung tia cực tím dùng cho quá trình quang hóa ở tế bào quang điện được tạo ra qua hai giai đoạn liên tiếp GVG* bước sóng cơ bản của ánh sáng cận hồng ngoại. Quá trình này chuyển đổi xung laser 1020 nm trước tiên thành 510 nm và sau đó thành 255 nm.
GVG* (thế hệ sóng hài bậc hai quang học) là quá trình kết hợp các photon có cùng tần số trong quá trình tương tác với vật liệu phi tuyến, dẫn đến sự hình thành các photon mới có năng lượng và tần số gấp đôi cũng như một nửa bước sóng.
Phần còn lại của chùm tia laser NIR được chia thành 4 chùm, được sử dụng để tạo ra bốn xung terahertz chu kỳ đơn bằng cách tạo ra sự chênh lệch tần số trong xung.
Hai xung terahertz sau đó được truyền đến từng thiết bị STEAM thông qua các cấu trúc sừng đối xứng hướng năng lượng terahertz vào vùng tương tác theo hướng truyền electron.
Khi các electron đi vào từng thiết bị STEAM, chúng sẽ tiếp xúc với các thành phần điện và từ Lực Lorentz*.
Lực Lorentz* - lực do trường điện từ tác dụng lên hạt mang điện.
Trong trường hợp này, điện trường chịu trách nhiệm tăng tốc và giảm tốc, còn từ trường gây ra độ lệch ngang.
Hình ảnh số 2
Như chúng ta thấy trong hình ảnh XUẤT KHẨU и 2bBên trong mỗi thiết bị STEAM, các chùm terahertz được chia ngang bởi các tấm kim loại mỏng thành nhiều lớp có độ dày khác nhau, mỗi lớp hoạt động như một ống dẫn sóng, truyền một phần tổng năng lượng sang vùng tương tác. Ngoài ra còn có các tấm điện môi trong mỗi lớp để điều phối thời gian đến của terahertz sóng phía trước* với mặt trước của các electron.
Mặt sóng* - bề mặt mà sóng đã chạm tới.
Cả hai thiết bị STEAM đều hoạt động ở chế độ điện, nghĩa là tạo ra một điện trường và triệt tiêu từ trường ở trung tâm của vùng tương tác.
Trong thiết bị đầu tiên, các electron được tính thời gian để đi qua không qua* trường terahertz, trong đó gradient thời gian của điện trường là cực đại và trường trung bình là cực tiểu.
Không qua* - một điểm ở đó không có căng thẳng.
Cấu hình này làm cho phần đuôi của chùm tia điện tử tăng tốc và phần đầu của nó giảm tốc, dẫn đến hiện tượng hội tụ đạn đạo theo chiều dọc (XUẤT KHẨU и 2с).
Trong thiết bị thứ hai, sự đồng bộ hóa của bức xạ electron và terahertz được thiết lập sao cho chùm electron chỉ trải qua một chu kỳ âm của điện trường terahertz. Cấu hình này dẫn đến gia tốc ròng liên tục (2b и 2d).
Laser NIR là hệ thống Yb:YLF được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh, tạo ra các xung quang có thời lượng 1.2 ps và năng lượng 50 mJ ở bước sóng 1020 nm và tốc độ lặp lại 10 Hz. Và các xung terahertz có tần số trung tâm là 0.29 terahertz (chu kỳ 3.44 ps) được tạo ra bằng phương pháp mặt trước xung nghiêng.
Để cung cấp năng lượng cho STEAM-buncher (máy nén chùm) chỉ sử dụng 2 x 50 nJ năng lượng terahertz và STEAM-linac (máy gia tốc tuyến tính) cần 2 x 15 mJ.
Đường kính lỗ đầu vào và đầu ra của cả hai thiết bị STEAM là 120 micron.
Máy nén chùm được thiết kế gồm 0 lớp có chiều cao bằng nhau (225 mm), được trang bị các tấm silica nung chảy (ϵr = 4.41) có chiều dài 0.42 và 0.84 mm để điều khiển thời gian. Chiều cao bằng nhau của các lớp máy nén phản ánh thực tế là không có gia tốc (2с).
Nhưng trong máy gia tốc tuyến tính, chiều cao đã khác - 0.225, 0.225 và 0.250 mm (+ tấm thạch anh nung chảy 0.42 và 0.84 mm). Sự gia tăng chiều cao của lớp giải thích sự gia tăng tốc độ của các electron trong quá trình tăng tốc.
Các nhà khoa học lưu ý rằng số lượng lớp chịu trách nhiệm trực tiếp cho chức năng của từng thiết bị. Ví dụ, để đạt được tốc độ tăng tốc cao hơn sẽ cần nhiều lớp hơn và cấu hình độ cao khác nhau để tối ưu hóa sự tương tác.
Kết quả thí nghiệm thực tế
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu nhắc nhở rằng trong các máy gia tốc tần số vô tuyến truyền thống, ảnh hưởng của phạm vi thời gian của chùm electron nhúng lên các tính chất của chùm gia tốc là do sự thay đổi trong điện trường trải qua trong quá trình tương tác của các electron khác nhau trong chùm tia tới. tại thời điểm khác nhau. Vì vậy, có thể dự đoán rằng các trường có gradient cao hơn và chùm tia có thời lượng dài hơn sẽ dẫn đến sự phân tán năng lượng lớn hơn. Các chùm tia được đưa vào trong thời gian dài cũng có thể dẫn đến giá trị cao hơn lượng phát thải*.
Tán xạ* - không gian pha bị chiếm bởi một chùm hạt tích điện có gia tốc.
Trong trường hợp máy gia tốc terahertz, chu kỳ của trường kích thích ngắn hơn khoảng 200 lần. Kể từ đây, căng thẳng* trường được hỗ trợ sẽ cao hơn 10 lần.
Cường độ điện trường* - một chỉ báo của điện trường, bằng tỷ số giữa lực tác dụng lên một điện tích điểm đứng yên đặt tại một điểm nhất định trong điện trường với độ lớn của điện tích này.
Do đó, trong máy gia tốc terahertz, gradient trường mà các electron chịu được có thể cao hơn vài bậc độ lớn so với trong một thiết bị thông thường. Thang thời gian mà độ cong trường có thể nhận thấy được sẽ nhỏ hơn đáng kể. Từ đó, thời gian của chùm tia điện tử được đưa vào sẽ có tác động rõ rệt hơn.
Các nhà khoa học quyết định thử nghiệm những lý thuyết này trong thực tế. Để làm được điều này, họ đã đưa vào các chùm tia điện tử có thời lượng khác nhau, được điều khiển bằng cách nén bằng thiết bị STEAM đầu tiên (STEAM-buncher).
Hình ảnh số 3
Trong trường hợp máy nén không được kết nối với nguồn điện, các chùm electron (55 keV) có điện tích ∼1 fC (femtocoulomb) truyền khoảng 300 mm từ súng điện tử đến thiết bị máy gia tốc tuyến tính (STEAM-linac). Những electron này có thể giãn nở dưới tác động của lực điện tích không gian trong khoảng thời gian hơn 1000 fs (femto giây).
Trong khoảng thời gian này, chùm tia điện tử chiếm khoảng 60% nửa bước sóng của trường gia tốc với tần số 1,7 ps, tạo ra phổ năng lượng sau gia tốc có đỉnh ở 115 keV và một nửa độ rộng phân bố năng lượng. lớn hơn 60 keV (XUẤT KHẨU).
Để so sánh những kết quả này với những kết quả mong đợi, tình huống truyền electron qua máy gia tốc tuyến tính được mô phỏng khi các electron không đồng bộ với (tức là không đồng bộ với) thời gian tiêm tối ưu. Các tính toán về tình huống này cho thấy sự tăng năng lượng của điện tử phụ thuộc rất nhiều vào thời điểm tiêm, xuống thang thời gian dưới pico giây (3b). Nghĩa là, với cài đặt tối ưu, electron sẽ trải qua nửa chu kỳ gia tốc bức xạ terahertz đầy đủ trong mỗi lớp (3с).
Nếu các electron đến vào những thời điểm khác nhau, chúng sẽ chịu gia tốc ít hơn ở lớp đầu tiên, khiến chúng mất nhiều thời gian hơn để di chuyển qua lớp đó. Quá trình giải đồng bộ sau đó tăng lên ở các lớp sau, gây ra sự chậm lại không mong muốn (3d).
Để giảm thiểu tác động tiêu cực của việc kéo dài thời gian của chùm tia điện tử, thiết bị STEAM đầu tiên hoạt động ở chế độ nén. Thời lượng chùm tia điện tử tại linac được tối ưu hóa ở mức tối thiểu ~350 fs (nửa chiều rộng) bằng cách điều chỉnh năng lượng terahertz cung cấp cho máy nén và chuyển linac sang chế độ nở (4b).
Hình ảnh số 4
Thời lượng chùm tia tối thiểu được đặt phù hợp với thời lượng của xung UV quang âm, là ~ 600 fs. Khoảng cách giữa máy nén và dải cũng đóng một vai trò quan trọng, làm hạn chế tốc độ của lực làm đặc. Cùng với nhau, các biện pháp này mang lại độ chính xác femto giây trong giai đoạn tiêm của giai đoạn tăng tốc.
trên hình ảnh XUẤT KHẨU Có thể thấy, độ lan truyền năng lượng của chùm electron bị nén sau khi tăng tốc tối ưu trong máy gia tốc tuyến tính giảm ~ 4 lần so với máy không nén. Do gia tốc, phổ năng lượng của chùm tia nén bị dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn, trái ngược với chùm tia không nén. Đỉnh phổ năng lượng sau khi tăng tốc là khoảng 115 keV, và đuôi năng lượng cao đạt khoảng 125 keV.
Những con số này, theo tuyên bố khiêm tốn của các nhà khoa học, là một kỷ lục gia tốc mới (trước khi gia tốc là 70 keV) ở phạm vi terahertz.
Nhưng để giảm sự phân tán năng lượng (XUẤT KHẨU), phải đạt được chùm tia thậm chí còn ngắn hơn.
Hình ảnh số 5
Trong trường hợp chùm tia được đưa vào không bị nén, sự phụ thuộc parabol của kích thước chùm tia vào dòng điện cho thấy độ phát xạ ngang theo hướng ngang và dọc: εx,n = 1.703 mm*mrad và εy,n = 1.491 mm*mrad (XUẤT KHẨU).
Ngược lại, quá trình nén đã cải thiện độ phát xạ ngang lên 6 lần thành εx,n = 0,285 mm*mrad (ngang) và εy,n = 0,246 mm*mrad (dọc).
Điều đáng chú ý là mức độ giảm phát xạ lớn xấp xỉ gấp đôi mức giảm thời lượng chùm tia, là thước đo tính phi tuyến của động lực tương tác với thời gian khi các electron trải qua quá trình hội tụ và làm lệch tâm mạnh của từ trường trong quá trình tăng tốc (5b и 5с).
trên hình ảnh 5b Có thể thấy rằng các electron được đưa vào thời điểm tối ưu sẽ trải qua toàn bộ nửa chu kỳ gia tốc điện trường. Nhưng các electron đến trước hoặc sau thời gian tối ưu sẽ có khả năng tăng tốc ít hơn và thậm chí giảm tốc một phần. Nói một cách đại khái, những electron như vậy sẽ có ít năng lượng hơn.
Tình trạng tương tự cũng được quan sát thấy khi tiếp xúc với từ trường. Các electron được tiêm vào thời điểm tối ưu sẽ trải qua lượng từ trường dương và âm đối xứng. Nếu sự xuất hiện của các electron xảy ra trước thời điểm tối ưu thì sẽ có nhiều trường dương hơn và ít trường âm hơn. Nếu electron được đưa vào muộn hơn thời gian tối ưu thì sẽ có ít điện tích dương hơn và nhiều điện tích âm hơn (5с). Và những sai lệch như vậy dẫn đến electron có thể lệch sang trái, phải, lên hoặc xuống tùy theo vị trí của nó so với trục, dẫn đến sự tăng động lượng ngang tương ứng với sự hội tụ hoặc làm lệch tiêu điểm của chùm tia.
Để làm quen chi tiết hơn với các sắc thái của nghiên cứu, tôi khuyên bạn nên xem и cho anh ta.
Phần kết
Tóm lại, hiệu suất của máy gia tốc sẽ tăng nếu thời lượng của chùm tia điện tử giảm. Trong công việc này, thời lượng chùm tia có thể đạt được bị giới hạn bởi hình dạng của hệ thống lắp đặt. Tuy nhiên, trên lý thuyết, thời lượng chùm tia có thể đạt dưới 100 fs.
Các nhà khoa học cũng lưu ý rằng chất lượng của chùm tia có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách giảm chiều cao của các lớp và tăng số lượng của chúng. Tuy nhiên, phương pháp này không phải là không có vấn đề, đặc biệt là làm tăng độ phức tạp của việc chế tạo thiết bị.
Công trình này là giai đoạn đầu của một nghiên cứu sâu rộng và chi tiết hơn về phiên bản thu nhỏ của máy gia tốc tuyến tính. Mặc dù thực tế là phiên bản thử nghiệm đã cho kết quả xuất sắc, có thể gọi là phá kỷ lục, nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm.
Cảm ơn bạn đã quan tâm, hãy luôn tò mò và chúc mọi người một tuần tuyệt vời! 🙂
Cảm ơn bạn đã ở với chúng tôi. Bạn có thích bài viết của chúng tôi? Bạn muốn xem nội dung thú vị hơn? Hỗ trợ chúng tôi bằng cách đặt hàng hoặc giới thiệu cho bạn bè, Giảm giá 30% cho người dùng Habr trên một máy chủ tương tự duy nhất của máy chủ cấp đầu vào do chúng tôi phát minh ra dành cho bạn: (có sẵn với RAID1 và RAID10, tối đa 24 lõi và tối đa 40GB DDR4).
Dell R730xd rẻ gấp 2 lần? Chỉ ở đây ở Hà Lan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - từ $99! Đọc về
Nguồn: www.habr.com