Ilana ti o mọ ti "diẹ sii ni agbara diẹ sii" ti pẹ ni iṣeto ni ọpọlọpọ awọn apa ti awujọ, pẹlu imọ-ẹrọ ati imọ-ẹrọ. Sibẹsibẹ, ni awọn otitọ ode oni, imuse ti o wulo ti ọrọ naa "kekere, ṣugbọn alagbara" n di pupọ ati siwaju sii. Eyi jẹ ifihan mejeeji ni awọn kọnputa, eyiti o gba gbogbo yara ni iṣaaju, ṣugbọn ni bayi ti o baamu ni ọpẹ ti ọmọde, ati ni awọn accelerators patiku ti o gba agbara. Bẹẹni, ranti Large Hadron Collider (LHC), eyiti awọn iwọn iwunilori rẹ (26 m ni ipari) jẹ itọkasi gangan ni orukọ rẹ? Nitorinaa, eyi ti jẹ ohun ti o ti kọja tẹlẹ ni ibamu si awọn onimọ-jinlẹ lati DESY, ti o ti ṣe agbekalẹ ẹya kekere ti ohun imuyara, eyiti ko kere si ni iṣẹ si iṣaju iwọn kikun rẹ. Pẹlupẹlu, mini ohun imuyara paapaa ṣeto igbasilẹ agbaye tuntun laarin awọn accelerators terahertz, ilọpo meji agbara ti awọn elekitironi ti a fi sii. Bawo ni a ṣe ni idagbasoke ohun imuyara kekere, kini awọn ilana ipilẹ ti iṣẹ ṣiṣe rẹ, ati kini awọn idanwo ti o wulo ti fihan? Ijabọ ti ẹgbẹ iwadii yoo ṣe iranlọwọ fun wa lati mọ nipa eyi. Lọ.
Ipilẹ iwadi
Gẹgẹbi Dongfang Zhang ati awọn ẹlẹgbẹ rẹ ni DESY (German Electron Synchrotron), ti o ni idagbasoke mini-accelerator, awọn orisun elekitironi ultrafast ṣe ipa pataki ti iyalẹnu ni igbesi aye awujọ ode oni. Pupọ ninu wọn han ni oogun, idagbasoke itanna ati iwadii imọ-jinlẹ. Iṣoro ti o tobi julọ pẹlu awọn iyara laini laini lọwọlọwọ nipa lilo awọn oscillator igbohunsafẹfẹ redio jẹ idiyele giga wọn, awọn amayederun eka, ati agbara agbara iwunilori. Ati pe iru awọn ailagbara ṣe idinwo wiwa ti iru awọn imọ-ẹrọ si ọpọlọpọ awọn olumulo.
Awọn iṣoro ti o han gbangba wọnyi jẹ iwuri nla lati ṣe agbekalẹ awọn ẹrọ ti iwọn ati lilo agbara kii yoo fa ẹru.
Lara awọn aratuntun ibatan ni ile-iṣẹ yii ni awọn accelerators terahertz, eyiti o ni nọmba “awọn anfani”:
- O ti wa ni o ti ṣe yẹ wipe kukuru igbi ati kukuru isọ ti terahertz Ìtọjú yoo significantly mu awọn ala ko ṣiṣẹ*, ṣẹlẹ nipasẹ awọn aaye, eyi ti yoo mu isare gradients;
Ibalẹ itanna* - ilosoke didasilẹ ni agbara lọwọlọwọ nigbati foliteji loke pataki ti lo.
- Iwaju awọn ọna ti o munadoko fun ti ipilẹṣẹ itankalẹ terahertz aaye giga gba laaye fun amuṣiṣẹpọ inu laarin awọn elekitironi ati awọn aaye inira;
- Awọn ọna kilasika le ṣee lo lati ṣẹda iru awọn ẹrọ, ṣugbọn iye owo wọn, akoko iṣelọpọ ati iwọn yoo dinku pupọ.
Awọn onimo ijinlẹ sayensi gbagbọ pe ohun imuyara terahertz iwọn millimeter wọn jẹ adehun laarin awọn accelerators ti aṣa ti o wa lọwọlọwọ ati awọn accelerators micro-accelerators ti o ni idagbasoke, ṣugbọn ni ọpọlọpọ awọn alailanfani nitori awọn iwọn kekere wọn.
Awọn oniwadi ko sẹ pe imọ-ẹrọ isare ti terahertz ti wa ni idagbasoke fun igba diẹ. Sibẹsibẹ, ninu ero wọn, ọpọlọpọ awọn aaye tun wa ni agbegbe yii ti a ko ti ṣe iwadi, idanwo tabi imuse.
Ninu iṣẹ wọn, eyiti a gbero loni, awọn onimo ijinlẹ sayensi ṣe afihan awọn agbara ti STEAM (segmented terahertz elekitironi ohun imuyara ati ifọwọyi) - ohun imuyara elekitironi terahertz ti a pin ati olufọwọyi. STEAM jẹ ki o ṣee ṣe lati dinku gigun ti itanna elekitironi si iye akoko-picosecond, nitorinaa pese iṣakoso abo-aaya lori ipele isare.
O ṣee ṣe lati ṣaṣeyọri aaye isare ti 200 MV / m (MV - megavolt), eyiti o yori si isare ti terahertz ti> 70 keV (kiloelectronvolt) lati inu ina itanna ti a fi sii pẹlu agbara ti 55 keV. Ni ọna yii, awọn elekitironi onikiakia to 125 keV ni a gba.
Ẹrọ ẹya ati imuse
Aworan No.. 1: aworan atọka ti ẹrọ labẹ iwadi.
Aworan No.. 1-2: a - aworan atọka ti idagbasoke 5-Layer segmented be, b - ipin ti isare iṣiro ati itọsọna ti itanna soju.
Awọn itanna elekitironi (55 keV) ti wa ni ipilẹṣẹ lati ibon elekitironi* ati pe a ṣe sinu terahertz STEAM-buncher (compressor beam), lẹhin eyi wọn kọja sinu STEAM-linac (ohun imuyara laini*).
Ibon elekitironi* - ẹrọ kan fun ipilẹṣẹ ina ti awọn elekitironi ti iṣeto ti a beere ati agbara.
Ohun imuyara laini* - ohun imuyara ninu eyiti awọn patikulu ti o gba agbara kọja nipasẹ eto ni ẹẹkan, eyiti o ṣe iyatọ ohun imuyara laini si ọkan ti gigun kẹkẹ (fun apẹẹrẹ, LHC).
Awọn ẹrọ STEAM mejeeji gba awọn pulses terahertz lati ina lesa infurarẹẹdi kan kan (NIR), eyiti o tun ṣe ina fotocathode ibon elekitironi, ti o yorisi imuṣiṣẹpọ inu laarin awọn elekitironi ati awọn aaye isare. Ultraviolet pulses fun photoemission ni photocathode ti wa ni ipilẹṣẹ nipasẹ awọn ipele meji ti o tẹle GVG* ipilẹ wefulenti ti isunmọ-infurarẹẹdi ina. Ilana yii ṣe iyipada pulse laser 1020 nm akọkọ si 510 nm ati lẹhinna si 255 nm.
GVG* (iran ti irẹpọ keji opitika) jẹ ilana ti apapọ awọn photon ti igbohunsafẹfẹ kanna lakoko ibaraenisepo pẹlu ohun elo ti kii ṣe lainidi, eyiti o yori si dida awọn fọto tuntun pẹlu ilọpo meji agbara ati igbohunsafẹfẹ, bakanna bi idaji gigun gigun.
Iyoku ti ina ina lesa NIR ti pin si awọn ina 4, eyiti a lo lati ṣe ina awọn iṣọn terahertz mẹrin-ọpọlọ kan nipasẹ ṣiṣe awọn iyatọ igbohunsafẹfẹ intra-pulse.
Awọn iṣọn terahertz meji naa lẹhinna ni jiṣẹ si ẹrọ STEAM kọọkan nipasẹ awọn ẹya iwo alakan ti o ṣe itọsọna agbara terahertz sinu agbegbe ibaraenisepo kọja itọsọna ti itankale itanna.
Nigbati awọn elekitironi ba wọ ẹrọ STEAM kọọkan, wọn farahan si itanna ati awọn paati oofa Awọn ologun Lorentz*.
Lorentz agbara* - agbara pẹlu eyiti aaye itanna n ṣiṣẹ lori patiku ti o gba agbara.
Ni ọran yii, aaye ina jẹ iduro fun isare ati idinku, ati aaye oofa nfa awọn ipadasẹhin ita.
Aworan #2
Bi a ti ri ninu awọn aworan 2a и 2b, Ninu ẹrọ STEAM kọọkan, awọn opo terahertz ti pin si ọna gbigbe nipasẹ awọn iwe irin tinrin si awọn fẹlẹfẹlẹ pupọ ti sisanra ti o yatọ, ọkọọkan eyiti o ṣe bi itọsọna igbi, gbigbe apakan ti agbara lapapọ si agbegbe ibaraenisepo. Awọn awo dielectric tun wa ni ipele kọọkan lati ṣatunṣe akoko dide ti terahertz iwaju igbi* pẹlu iwaju ti awọn elekitironi.
Wavefront* - oju si eyiti igbi ti de.
Mejeeji awọn ẹrọ STEAM ṣiṣẹ ni ipo itanna, iyẹn ni, ni iru ọna lati fa aaye ina kan ati ki o dinku aaye oofa ni aarin agbegbe ibaraenisepo.
Ninu ẹrọ akọkọ, awọn elekitironi ti wa ni akoko lati kọja odo rekoja* aaye terahertz, nibiti awọn iwọn akoko ti aaye ina mọnamọna ti pọ si ati pe aaye apapọ ti dinku.
Odo rekoja* - a ojuami ibi ti o wa ni ko si ẹdọfu.
Iṣeto ni yii jẹ ki iru ti itanna elekitironi lati yara ati ori rẹ lati dinku, ti o yọrisi idojukọ gigun gigun ballistic (2a и 2c).
Ninu ẹrọ keji, imuṣiṣẹpọ ti itanna ati itanna terahertz ti ṣeto ki itanna tan ina le ni iriri iyipo odi nikan ti aaye ina terahertz. Iṣeto ni abajade ni isare net kan lemọlemọfún (2b и 2d).
Laser NIR naa jẹ eto Yb:YLF ti o tutu ni cryogenically ti o ṣe agbejade awọn iṣọn opiti ti iye akoko 1.2 ps ati agbara 50 mJ ni gigun ti 1020 nm ati iwọn atunwi ti 10 Hz. Ati awọn iṣọn terahertz pẹlu igbohunsafẹfẹ aarin ti 0.29 terahertz (akoko ti 3.44 ps) jẹ ipilẹṣẹ nipasẹ ọna iwaju pulse ti idagẹrẹ.
Lati fi agbara STEAM-buncher (compressor beam) nikan 2 x 50 nJ ti agbara terahertz ni a lo, ati STEAM-linac (accelerator linear) nilo 2 x 15 mJ.
Awọn iwọn ila opin ti awọn agbawole ati iho iṣan ti awọn ẹrọ STEAM mejeeji jẹ 120 microns.
Awọn konpireso tan ina naa jẹ apẹrẹ pẹlu awọn ipele mẹta ti iga to dogba (0 mm), eyiti o ni ipese pẹlu awọn apẹrẹ siliki ti a dapọ (ϵr = 225) ti ipari 4.41 ati 0.42 mm lati ṣakoso akoko. Awọn giga dogba ti awọn fẹlẹfẹlẹ konpireso ṣe afihan otitọ pe ko si isare (2c).
Ṣugbọn ninu ohun imuyara laini awọn giga ti yatọ tẹlẹ - 0.225, 0.225 ati 0.250 mm (+ awọn awo quartz dapo 0.42 ati 0.84 mm). Ilọsoke giga ti Layer ṣe alaye ilosoke ninu iyara ti awọn elekitironi lakoko isare.
Awọn onimo ijinlẹ sayensi ṣe akiyesi pe nọmba awọn fẹlẹfẹlẹ jẹ iduro taara fun iṣẹ ṣiṣe ti ọkọọkan awọn ẹrọ meji naa. Ṣiṣeyọri awọn oṣuwọn isare ti o ga julọ, fun apẹẹrẹ, yoo nilo awọn fẹlẹfẹlẹ diẹ sii ati awọn atunto giga ti o yatọ lati mu ibaraenisepo dara si.
Awọn abajade ti awọn adanwo to wulo
Ni akọkọ, awọn oniwadi leti pe ni awọn iyara igbohunsafẹfẹ redio ti aṣa, ipa ti iye akoko ti itanna elekitironi ti a fi sii lori awọn ohun-ini ti ina isare jẹ nitori iyipada ninu aaye ina ti o ni iriri lakoko ibaraenisepo ti awọn elekitironi oriṣiriṣi laarin ina ti o de. ni orisirisi awọn igba. Nitorinaa, o le nireti pe awọn aaye pẹlu awọn gradients ti o ga julọ ati awọn ina pẹlu awọn akoko gigun yoo ja si itankale agbara nla. Awọn ina abẹrẹ ti igba pipẹ tun le ja si awọn iye ti o ga julọ awọn gbigbejade*.
Ijade * - aaye alakoso ti tẹdo nipasẹ ohun onikiakia tan ina ti gba agbara patikulu.
Ninu ọran ti ohun imuyara terahertz, akoko ti aaye igbadun jẹ isunmọ awọn akoko 200 kukuru. Nítorí náà, ẹdọfu* aaye ti o ni atilẹyin yoo jẹ awọn akoko 10 ti o ga julọ.
Agbara aaye ina* - Atọka ti aaye ina, dogba si ipin ti agbara ti a lo si idiyele aaye iduro ti a gbe ni aaye ti a fun ni aaye si titobi idiyele yii.
Nitorinaa, ninu ohun imuyara terahertz, awọn gradients aaye ti o ni iriri nipasẹ awọn elekitironi le jẹ awọn aṣẹ titobi pupọ ti o ga ju ninu ẹrọ aṣa lọ. Iwọn akoko lori eyiti ìsépo aaye jẹ akiyesi yoo kere pupọ. O tẹle lati eyi pe iye akoko itanna elekitironi ti a ṣe afihan yoo ni ipa ti o sọ diẹ sii.
Awọn onimo ijinlẹ sayensi pinnu lati ṣe idanwo awọn imọran wọnyi ni iṣe. Lati ṣe eyi, wọn ṣafihan awọn itanna elekitironi ti awọn akoko oriṣiriṣi, eyiti a ṣakoso nipasẹ titẹkuro nipa lilo ẹrọ STEAM akọkọ (STEAM-buncher).
Aworan #3
Ninu ọran nibiti konpireso ko ti sopọ si orisun agbara, awọn opo ti awọn elekitironi (55 keV) pẹlu idiyele ti ~ 1 fC (femtocoulomb) kọja to 300 mm lati ibon elekitironi si ẹrọ imuyara laini (STEAM-linac). Awọn elekitironi wọnyi le faagun labẹ ipa ti awọn agbara idiyele aaye titi di iye akoko diẹ sii ju 1000 fs (femtoseconds).
Ni iye akoko yii, itanna elekitironi ti gba nipa 60% ti idaji-ipari ti aaye isare pẹlu igbohunsafẹfẹ ti 1,7 ps, ti o mu abajade agbara isare lẹhin-ipari pẹlu tente oke ni 115 keV ati idaji-iwọn ti pinpin agbara ju 60 keV (3a).
Lati ṣe afiwe awọn abajade wọnyi pẹlu awọn ti a nireti, ipo ti itankale elekitironi nipasẹ ohun imuyara laini jẹ afarawe nigbati awọn elekitironi ko ni amuṣiṣẹpọ pẹlu (ie, ni mimuuṣiṣẹpọ pẹlu) akoko abẹrẹ to dara julọ. Awọn iṣiro ipo yii fihan pe ilosoke ninu agbara elekitironi jẹ igbẹkẹle pupọ si akoko abẹrẹ, si isalẹ si iwọn akoko subpicosecond (3b). Iyẹn ni, pẹlu eto ti o dara julọ, elekitironi yoo ni iriri iwọn-idaji kikun ti isare itankalẹ itankalẹ terahertz ni ipele kọọkan (3c).
Ti awọn elekitironi ba de ni awọn akoko oriṣiriṣi, wọn ni iriri isare diẹ sii ni ipele akọkọ, eyiti o jẹ ki wọn gba to gun lati rin irin-ajo nipasẹ rẹ. Imuṣiṣẹpọ lẹhinna pọ si ni awọn ipele atẹle, nfa idinku aifẹ (3d).
Lati le dinku ipa odi ti itẹsiwaju igba diẹ ti tan ina elekitironi, ẹrọ STEAM akọkọ ṣiṣẹ ni ipo funmorawon. Iye akoko itanna elekitironi ni linac jẹ iṣapeye si o kere ju ~ 350 fs (iwọn idaji) nipa yiyi agbara terahertz ti a pese si compressor ati yiyipada linac si ipo hatch (4b).
Aworan #4
Iye akoko ti o kere ju ni a ṣeto ni ibamu pẹlu iye akoko pulse photocathode UV, eyiti o jẹ ~ 600 fs. Aaye laarin awọn konpireso ati awọn rinhoho tun ṣe ipa pataki, eyiti o ni opin iyara ti agbara iwuwo. Lapapọ, awọn iwọn wọnyi jẹ ki deede femtosecond ni ipele abẹrẹ ti ipele isare.
Ninu aworan 4a o le rii pe itankale agbara ti ina elekitironi fisinuirindigbindigbin lẹhin isare iṣapeye ni ohun imuyara laini dinku nipasẹ ~ 4 igba ni akawe si ọkan ti a ko fi sii. Nitori isare, agbara spekitiriumu ti fisinuirindigbindigbin tan ina ti wa ni yi lọ si ọna ti o ga awọn okunagbara, ni idakeji si awọn uncompressed tan ina. Ipari ti awọn julọ.Oniranran agbara lẹhin isare jẹ nipa 115 keV, ati awọn ga-agbara iru Gigun nipa 125 keV.
Awọn isiro wọnyi, ni ibamu si alaye iwọntunwọnsi ti awọn onimọ-jinlẹ, jẹ igbasilẹ isare tuntun (ṣaaju isare o jẹ 70 keV) ni sakani terahertz.
Ṣugbọn lati le dinku pipinka agbara (4a), ani kikuru tan ina gbọdọ wa ni waye.
Aworan #5
Ninu ọran ti ina ti a ti ṣafihan ti ko ni iṣipopada, igbẹkẹle parabolic ti iwọn tan ina lori lọwọlọwọ ṣafihan itujade ifapa ni petele ati awọn itọnisọna inaro: εx, n = 1.703 mm * mrad ati εy, n = 1.491 mm * mrad (5a).
Funmorawon, leteto, imudara itujade ifapapọ nipasẹ awọn akoko 6 si εx,n = 0,285 mm*mrad (petele) ati εy,n = 0,246 mm*mrad (inaro).
O tọ lati ṣe akiyesi pe alefa idinku itusilẹ jẹ isunmọ ni ilọpo meji bi iwọn ti idinku iye akoko tan ina, eyiti o jẹ iwọn aiṣedeede ti awọn agbara ibaraenisepo pẹlu akoko nigbati awọn elekitironi ni iriri idojukọ to lagbara ati aifọwọyi ti aaye oofa lakoko isare (5b и 5c).
Ninu aworan 5b O le rii pe awọn elekitironi ti a ṣafihan ni akoko ti o dara julọ ni iriri gbogbo iwọn-idaji ti isare aaye ina. Ṣugbọn awọn elekitironi ti o de ṣaaju tabi lẹhin akoko ti o dara julọ ni iriri isare ti o dinku ati paapaa idinku apakan. Awọn elekitironi bẹẹ pari pẹlu agbara ti o dinku, ni aijọju sọrọ.
Ipo ti o jọra ni a ṣe akiyesi nigbati o farahan si aaye oofa kan. Awọn elekitironi itasi ni akoko ti o dara julọ ni iriri awọn oye asymmetric ti rere ati awọn aaye oofa odi. Ti ifihan ti awọn elekitironi waye ṣaaju akoko to dara julọ, lẹhinna awọn aaye rere diẹ sii ati awọn odi odi diẹ. Ti a ba ṣe afihan awọn elekitironi nigbamii ju akoko ti o dara julọ, rere yoo dinku ati odi diẹ sii (5c). Ati iru awọn iyapa ti o yori si otitọ pe elekitironi le yapa si apa osi, sọtun, oke tabi isalẹ, da lori ipo rẹ ti o ni ibatan si ipo, eyiti o yori si ilosoke ninu ipa ipadabọ ti o baamu si idojukọ tabi defocusing ti tan ina.
Fun imọran alaye diẹ sii pẹlu awọn nuances ti iwadi naa, Mo ṣeduro wiwo и fún un.
Imudaniloju
Ni akojọpọ, iṣẹ imuyara yoo pọ si ti iye akoko itanna elekitironi ba dinku. Ninu iṣẹ yii, iye akoko ina ti o ṣee ṣe ni opin nipasẹ jiometirika ti fifi sori ẹrọ. Ṣugbọn, ni imọran, iye akoko tan ina le de kere ju 100 fs.
Awọn onimo ijinlẹ sayensi tun ṣe akiyesi pe didara ti tan ina le ni ilọsiwaju siwaju sii nipa idinku giga ti awọn ipele ati jijẹ nọmba wọn. Sibẹsibẹ, ọna yii kii ṣe laisi awọn iṣoro, ni pataki jijẹ idiju ti iṣelọpọ ẹrọ naa.
Iṣẹ yii jẹ ipele ibẹrẹ ti iwadi ti o gbooro ati alaye ti ẹya kekere ti ohun imuyara laini. Bíótilẹ o daju pe ẹya idanwo ti n ṣafihan awọn abajade to dara julọ, eyiti o le pe ni pipe ni igbasilẹ, iṣẹ pupọ tun wa lati ṣe.
O ṣeun fun akiyesi rẹ, duro iyanilenu ati ni ọsẹ nla kan gbogbo eniyan! 🙂
O ṣeun fun gbigbe pẹlu wa. Ṣe o fẹran awọn nkan wa? Ṣe o fẹ lati rii akoonu ti o nifẹ si diẹ sii? Ṣe atilẹyin fun wa nipa gbigbe aṣẹ tabi iṣeduro si awọn ọrẹ, ẹdinwo 30% fun awọn olumulo Habr lori afọwọṣe alailẹgbẹ ti awọn olupin ipele-iwọle, eyiti a ṣẹda nipasẹ wa fun ọ: (wa pẹlu RAID1 ati RAID10, to awọn ohun kohun 24 ati to 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 igba din owo? Nikan nibi ni Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - lati $99! Ka nipa
orisun: www.habr.com