“越多力量越大”这一熟悉的原则早已在社会许多领域确立，包括科学技术领域。 然而，在现代现实中，“小而大”这句话的实际运用却越来越普遍。 这在计算机和带电粒子加速器中都得到了体现，计算机以前占据了整个房间，但现在可以放在孩子的手掌中。 是的，还记得大型强子对撞机 (LHC)，其令人印象深刻的尺寸（长 26 m）正如其名称所示。 因此，根据 DESY 科学家的说法，这已经成为过去，他们开发了微型版加速器，其性能并不逊色于其全尺寸前身。 此外，该微型加速器甚至创下了太赫兹加速器的新世界纪录，使嵌入式电子的能量增加了一倍。 微型加速器是如何开发的，其运行的基本原理是什么，实际实验表明了什么？ 研究小组的报告将帮助我们了解这一点。 去。
研究基础
据开发微型加速器的张东方及其在 DESY（德国电子同步加速器）的同事介绍，超快电子源在现代社会的生活中发挥着极其重要的作用。 其中许多出现在医学、电子开发和科学研究领域。 当前使用射频振荡器的直线加速器的最大问题是成本高、基础设施复杂以及功耗巨大。 而这些缺点极大地限制了此类技术对更广泛用户的可用性。
这些明显的问题极大地激励了人们开发尺寸和功耗不会造成恐怖的设备。
该行业的相对新颖之处在于太赫兹加速器，它具有许多“优点”：
- 预计太赫兹辐射的短波和短脉冲将显着提高阈值 分解*，由场引起，这会增加加速度梯度；
电气故障* - 当施加高于临界电压时电流强度急剧增加。
- 产生高场太赫兹辐射的有效方法的存在允许电子和激发场之间的内部同步；
- 可以使用经典方法来制造此类设备，但其成本、生产时间和尺寸将大大降低。
科学家认为，他们的毫米级太赫兹加速器是目前可用的传统加速器和正在开发的微型加速器之间的折衷方案，但由于尺寸非常小，因此存在许多缺点。
研究人员并不否认太赫兹加速技术已经发展了一段时间。 但在他们看来，这方面还有很多方面没有被研究、测试或实施。
在我们今天讨论的工作中，科学家们展示了 STEAM 的能力（分段太赫兹电子加速器及机械手) - 分段太赫兹电子加速器和操纵器。 STEAM 可以将电子束的长度缩短至亚皮秒持续时间，从而提供对加速阶段的飞秒控制。
可以实现 200 MV/m（MV - 兆伏）的加速场，这使得能量为 70 keV 的嵌入式电子束产生 > 55 keV（千电子伏）的创纪录太赫兹加速度。 通过这种方式，获得了高达125 keV的加速电子。
装置结构及实现
图片 1：正在研究的设备图。
图 1-2：a - 开发的 5 层分段结构图，b - 计算的加速度与电子传播方向的比率。
电子束 (55 keV) 产生于 电子枪* 并被引入太赫兹 STEAM 聚束器（光束压缩器），之后它们进入 STEAM 直线加速器（直线加速器*).
电子枪* — 用于产生具有所需结构和能量的电子束的装置。
直线加速器* - 带电粒子仅穿过结构一次的加速器，这将线性加速器与循环加速器（例如大型强子对撞机）区分开来。
两种 STEAM 设备均从单个近红外 (NIR) 激光器接收太赫兹脉冲，该激光器还发射电子枪的光电阴极，从而实现电子和加速场之间的内部同步。 通过两个连续阶段产生用于光电阴极光电发射的紫外脉冲 总气体发生器* 近红外光的基本波长。 该过程首先将 1020 nm 激光脉冲转换为 510 nm，然后转换为 255 nm。
总气体发生器* （光学二次谐波产生）是在与非线性材料相互作用时组合相同频率的光子的过程，从而形成具有双倍能量和频率以及一半波长的新光子。
剩余的近红外激光束被分成 4 束，通过产生脉冲内频率差来生成四个单周期太赫兹脉冲。
然后，两个太赫兹脉冲通过对称喇叭结构传递到每个 STEAM 设备，该喇叭结构将太赫兹能量沿电子传播方向引导到相互作用区域。
当电子进入每个 STEAM 设备时，它们会暴露在电磁组件中 洛伦兹力*.
洛伦兹力* - 电磁场作用于带电粒子的力。
在这种情况下，电场负责加速和减速，磁场导致横向偏转。
图片#2
正如我们在图像中看到的 2а и 2b在每个STEAM设备内部，太赫兹光束被薄金属片横向分成几层不同厚度的层，每一层都充当波导，将总能量的一部分传输到相互作用区域。 每层还有介电板来协调太赫兹的到达时间 波前* 与电子的前端。
波前* - 波到达的表面。
两种 STEAM 设备都以电模式运行，即在相互作用区域的中心施加电场并抑制磁场。
在第一个装置中，电子定时通过 过零* 太赫兹场，其中电场的时间梯度最大化而平均场最小化。
过零* - 没有张力的点。
这种配置导致电子束尾部加速而头部减速，从而产生弹道纵向聚焦（2а и 2s).
在第二个装置中，设置电子和太赫兹辐射的同步，使得电子束仅经历太赫兹电场的负周期。 这种配置会产生净连续加速度（2b и 2d).
NIR 激光器是一种低温冷却的 Yb:YLF 系统，可产生持续时间为 1.2 ps、能量为 50 mJ、波长为 1020 nm、重复率为 10 Hz 的光脉冲。 采用倾斜脉冲阵面法产生中心频率为0.29太赫兹（周期为3.44 ps）的太赫兹脉冲。
为了给 STEAM-buncher（光束压缩器）供电，仅使用 2 x 50 nJ 的太赫兹能量，而 STEAM-linac（直线加速器）则需要 2 x 15 mJ。
两个STEAM装置的入口孔和出口孔的直径均为120微米。
梁压缩器设计为三层等高（0 mm），并配备长度为225和4.41 mm的熔融石英板（εr = 0.42）来控制时序。 压缩机层的高度相等反映了没有加速度的事实（2s).
但在直线加速器中，高度已经不同 - 0.225、0.225 和 0.250 毫米（+ 熔融石英板 0.42 和 0.84 毫米）。 层高度的增加解释了加速过程中电子速度的增加。
科学家指出，层数直接影响这两种设备的功能。 例如，实现更高的加速度需要更多的层和不同的高度配置来优化交互。
实际实验结果
首先，研究人员提醒，在传统的射频加速器中，嵌入电子束的时间范围对加速束特性的影响是由于束内不同电子在到达时相互作用过程中经历的电场变化造成的。在不同的时间。 因此，可以预期，具有较高梯度的场和具有较长持续时间的光束将导致较大的能量扩散。 长持续时间的注入光束也可以导致更高的值 发射率*.
发射率* — 由加速的带电粒子束占据的相空间。
对于太赫兹加速器，激励场的周期大约短 200 倍。 因此， 紧张* 支持的领域将高出10倍。
电场强度* - 电场指标，等于施加到电场中给定点的静止点电荷上的力与该电荷大小的比率。
因此，在太赫兹加速器中，电子所经历的场梯度可能比传统设备高几个数量级。 场曲明显的时间尺度将明显更小。 由此可见，引入电子束的持续时间将具有更显着的影响。
科学家决定在实践中检验这些理论。 为此，他们引入了不同持续时间的电子束，并使用第一个 STEAM 设备（STEAM 聚束器）通过压缩来控制电子束。
图片#3
在压缩机未连接电源的情况下，电荷为~55 fC（飞库仑）的电子束（1 keV）从电子枪经过约 300 mm 到达直线加速器装置（STEAM-linac）。 这些电子可以在空间电荷力的影响下膨胀，持续时间长达 1000 fs（飞秒）以上。
在此期间，电子束占据频率为60 ps的加速场半波长的约1,7%，导致加速后能谱的峰值为115 keV，能量分布的半宽度大于 60 keV（3а).
为了将这些结果与预期结果进行比较，模拟了当电子与最佳注入时间不同步（即不同步）时电子通过直线加速器传播的情况。 对这种情况的计算表明，电子能量的增加很大程度上取决于注入时刻，低至亚皮秒时间尺度（3b）。 也就是说，在最佳设置下，电子将在每一层中经历完整半周期的太赫兹辐射加速（3s).
如果电子到达的时间不同，它们在第一层中经历的加速度就会较小，这使得它们需要更长的时间才能穿过第一层。 随后，不同步现象会在后续层中增加，导致不必要的减速（3d).
为了最大限度地减少电子束时间延伸的负面影响，第一个 STEAM 设备在压缩模式下运行。 通过调整提供给压缩机的太赫兹能量并将直线加速器切换到孵化模式，将直线加速器上的电子束持续时间优化至最小值约 350 fs（半宽）（4b).
图片#4
最小光束持续时间根据光电阴极 UV 脉冲的持续时间设置，约为 600 fs。 压缩机和带材之间的距离也发挥了重要作用，它限制了增稠力的速度。 这些措施共同实现了加速阶段的注入阶段的飞秒精度。
在图像上 4а 可以看出，在直线加速器中优化加速后，压缩电子束的能量分布比未压缩电子束减少了~4倍。 由于加速，与未压缩光束相比，压缩光束的能谱向更高能量移动。 加速后能谱峰值约为115 keV，高能尾达到125 keV左右。
根据科学家的谦虚说法，这些数字是太赫兹范围内的新加速记录（加速前为 70 keV）。
但为了减少能量分散（4а），必须实现更短的光束。
图片#5
在未压缩引入光束的情况下，光束尺寸对电流的抛物线依赖性揭示了水平和垂直方向的横向发射率：εx,n = 1.703 mm*mrad 和 εy,n = 1.491 mm*mrad (5а).
压缩反过来又将横向发射率提高了 6 倍，达到 εx,n = 0,285 mm*mrad（水平）和 εy,n = 0,246 mm*mrad（垂直）。
值得注意的是，发射度减少的程度大约是束流持续时间减少程度的两倍，束流持续时间是电子在加速过程中经历磁场强聚焦和散焦时相互作用动力学随时间的非线性的度量（5b и 5s).
在图像上 5b 可以看出，在最佳时间引入的电子经历了电场加速的整个半周期。 但在最佳时间之前或之后到达的电子会经历较小的加速度，甚至部分减速。 粗略地说，这样的电子最终接收到的能量较少。
当暴露于磁场时，也会观察到类似的情况。 在最佳时间注入的电子会经历对称量的正负磁场。 如果电子的引入发生在最佳时间之前，那么就会有更多的正场和更少的负场。 如果晚于最佳时间引入电子，则正电子会减少，负电子会增加（5s）。 这种偏差导致电子可以根据其相对于轴的位置向左、向右、向上或向下偏离，这导致与光束聚焦或散焦相对应的横向动量增加。
为了更详细地了解这项研究的细微差别，我建议查看 и 对他
结语
总之，如果电子束的持续时间减少，加速器的性能将会提高。 在这项工作中，可实现的光束持续时间受到安装几何形状的限制。 但理论上，光束持续时间可以达到小于 100 fs。
科学家还指出，通过降低层的高度和增加层的数量可以进一步提高光束的质量。 然而，该方法并非没有问题，特别是增加了制造装置的复杂性。
这项工作是对微型直线加速器进行更广泛和更详细研究的初始阶段。 尽管测试版本已经显示出了出色的结果，可以说是打破了记录，但仍有很多工作要做。
感谢您的关注，保持好奇心，祝大家度过愉快的一周！ 🙂
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来源： habr.com