“越多力量越大”這一熟悉的原則早已在社會許多領域（包括科學技術領域）確立。 然而，在現代現實中，“小而大膽”這句話越來越多地得到實際落實。 這既體現在以前佔據整個房間、現在可以放在孩子手掌中的計算機中，也體現在粒子加速器中。 是的，是的，還記得大型強子對撞機 (LHC)，其令人印象深刻的尺寸（長 26 m）正如其名稱所示。 DESY 科學家表示，這已經成為過去，他們開發了微型版加速器，其性能並不遜於全尺寸前身。 此外，該微型加速器還通過將注入電子的能量提高了一倍，創下了太赫茲加速器的新世界紀錄。 微型加速器是如何開發的，其工作的主要原理是什麼，實際實驗表明了什麼？ 研究小組的報告將幫助我們了解這一點。 去。
研究基礎
據開發微型加速器的張東方及其在 DESY（德國電子同步加速器）的同事介紹，超快電子源在現代社會中發揮著極其重要的作用。 其中許多體現在醫學、電子開發和科學研究中。 當前使用射頻振盪器的直線加速器的最大問題是成本高、基礎設施複雜以及對功耗的巨大需求。 這些缺點嚴重限制了此類技術對更廣泛用戶的可用性。
這些明顯的問題極大地激勵了人們開發尺寸和功耗都不會令人生畏的設備。
在這個行業的相對新穎的事物中，太赫茲加速器可以被區分出來，它有許多“優點”：
- 預計太赫茲輻射的短波和短脈衝將使閾值顯著增加 分解*，由場引起，這會增加加速度梯度；
電氣故障* - 當施加的電壓高於臨界電壓時，電流強度急劇增加。
- 產生高場太赫茲輻射的有效方法的可用性使得電子和激發場之間的內部同步成為可能；
- 可以使用經典方法來製造此類設備，但其成本、生產時間和尺寸將大大降低。
科學家們認為，他們的毫米級太赫茲加速器是目前可用的傳統加速器和正在開發的微型加速器之間的折衷方案，但由於其尺寸已經非常小，因此存在許多缺點。
研究人員並不否認太赫茲加速技術已經發展了一段時間。 但在他們看來，這方面還有很多方面沒有被研究、測試或實施。
在我們今天討論的工作中，科學家們展示了 STEAM 的可能性（分段太赫茲電子加速器及機械手）是分段太赫茲電子加速器和操縱器。 STEAM 可以將電子束的長度縮短至亞皮秒持續時間，從而提供對加速階段的飛秒控制。
可以實現 200 MV/m（MV - 兆伏）的加速場，這使得能量為 70 keV 的注入電子束產生 > 55 keV（千電子伏）的創紀錄太赫茲加速度。 通過這種方式，獲得了高達125 keV的加速電子。
裝置結構及實現
圖片#1：所研究設備的方案。
圖 1-2：a - 開發的 5 層分段結構圖，b - 計算的加速度與電子傳播方向的比率。
電子束 (55 keV) 產生於 電子槍* 並被引入太赫茲 STEAM 聚束器（光束壓縮器），之後它們被轉移到 STEAM 直線加速器（直線加速器*).
電子槍* — 用於產生所需結構和能量的電子束的裝置。
直線加速器* - 帶電粒子僅穿過結構一次的加速器，這將線性加速器與循環加速器（例如大型強子對撞機）區分開來。
兩種 STEAM 設備均從單個近紅外 (NIR) 激光器接收太赫茲脈衝，該激光器還發射電子槍的光電陰極，從而導致電子和加速場之間的內部同步。 通過兩個連續階段產生用於光電陰極光電發射的紫外脈衝 總產量* 近紅外光的基本波長。 該過程首先將 1020 nm 激光脈沖轉換為 510 nm，然後轉換為 255 nm。
總產量* （二次諧波產生） - 在與非線性材料相互作用期間組合具有相同頻率的光子的過程，這導致形成具有兩倍能量和頻率以及一半波長的新光子。
近紅外激光束的剩餘部分被分成4束，用於通過產生脈衝內頻率差來產生四個單週期太赫茲脈衝。
然後，兩個太赫茲脈衝通過對稱喇叭結構進入每個 STEAM 設備，該喇叭結構將太赫茲能量沿電子傳播方向引導到相互作用區域。
當電子進入每個 STEAM 設備時，它們會暴露在電氣和磁性組件中。 洛倫茲力*.
洛倫茲力* 是電磁場作用於帶電粒子的力。
在這種情況下，電場負責加速和減速，而磁場則導致橫向偏轉。
圖片#2
正如我們在圖片中看到的 2a и 2b在每個STEAM設備內部，太赫茲光束被薄金屬片橫向分隔成不同厚度的幾層，每一層都充當波導，將總能量的一部分傳輸到相互作用區域。 此外，每層都有介電板來匹配太赫茲信號的到達時間。 波前* 具有電子前沿。
波前* 是波到達的表面。
兩種 STEAM 設備都以電模式運行，即在相互作用區域的中心產生電場和磁場抑制。
在第一個裝置中，電子定時通過 過零* 太赫茲場，其中電場的時間梯度最大化而平均場最小化。
過零* - 沒有張力的點。
這種配置導致電子束尾部加速而頭部減速，從而產生彈道縱向聚焦（2a и 2秒).
在第二個裝置中，設置電子和太赫茲輻射的同步，使得電子束僅經歷太赫茲電場的負週期。 這種配置會產生淨連續加速度（2b и 2d).
NIR 激光器類似於低溫冷卻的 Yb:YLF 系統，可產生持續時間為 1.2 ps、能量為 50 mJ、波長為 1020 nm、重複率為 10 Hz 的光脈衝。 採用傾斜脈衝陣面法產生中心頻率為0.29太赫茲（週期為3.44 ps）的太赫茲脈衝。
僅使用 2 x 50 nJ 太赫茲能量為 STEAM 聚束器（光束壓縮器）提供動力，而 STEAM 直線加速器（線性加速器）則需要 2 x 15 mJ。
兩個 STEAM 裝置的入口和出口直徑均為 120 µm。
梁壓縮器設計為三層相同高度（0 mm），並配有長度為225和4.41 mm的熔融石英板（εr = 0.42）用於定時控制。 壓縮機層的高度相等反映了沒有發生加速的事實（2秒).
但在直線加速器中，高度已經不同 - 0.225、0.225 和 0.250 毫米（+ 熔融石英板 0.42 和 0.84 毫米）。 層高的增加解釋了加速過程中電子速度的增加。
科學家指出，層數直接影響這兩種設備的功能。 例如，為了實現更高程度的加速，將需要更多層和不同高度配置來優化交互。
實際實驗結果
首先，研究人員提醒，在傳統的基於射頻的加速器中，注入電子束的時間範圍對加速束特性的影響與內部不同電子相互作用過程中經歷的電場變化有關。光束到達的時間不同。 因此，可以假設具有大梯度的場和具有較長持續時間的光束將導致較大的能量擴散。 長持續時間的注入光束也可以帶來更高的值 發射率*.
發射率* 是加速的帶電粒子束佔據的相空間。
在太赫茲加速器的情況下，激發場的周期大約短 200 倍。 因此， 緊張* 支持的場將高出10倍。
電場強度* - 電場指標，等於施加在電場中給定點的固定點電荷上的力與該電荷大小的比率。
因此，在太赫茲加速器中，電子所經歷的場梯度可能比傳統設備高幾個數量級。 在這種情況下，場曲明顯的時間尺度會小得多。 由此可見，注入電子束的持續時間將具有更明顯的影響。
科學家決定在實踐中檢驗這些理論。 為此，他們引入了不同持續時間的電子束，該電子束由第一個 STEAM 設備（STEAM 聚束器）的壓縮控制。
圖片#3
在壓縮機未連接電源的情況下，電荷為~55 fC（飛庫侖）的電子束（1 keV）從電子槍行進約 300 毫米到直線加速器裝置（STEAM-linac）。 這些電子可以在空間電荷力的作用下膨脹，持續時間長達 1000 fs（飛秒）以上。
在這段時間內，電子束佔據了頻率為60 ps的加速場半波的1,7%左右，導致加速後的能譜在115 keV處有峰值，能量分佈半寬度更大大於 60 keV（3a).
為了將這些結果與預期結果進行比較，模擬了電子通過直線加速器傳播的情況，此時電子相對於最佳注入時間不同步（即不匹配）。 對這種情況的計算表明，電子能量的增加很大程度上取決於引入時刻，直至亞皮秒時間尺度（3b）。 也就是說，通過最佳調諧，電子將在每一層中經歷完整的半週期太赫茲輻射加速（3秒).
如果電子到達的時間不同，那麼它們在第一層中經歷的加速度就會較小，因此它們需要更多的時間才能通過它。 然後，後續層中的不同步性會增加，導致不必要的減速（3d).
為了最大限度地減少電子束時間長度的負面影響，第一個 STEAM 設備在壓縮模式下運行。 通過調整提供給壓縮機的太赫茲能量並將直線加速器切換到孵化模式，將直線加速器上的電子束持續時間優化為最小~350 fs（半寬）（4b).
圖片#4
最小光束持續時間根據光電陰極 UV 脈衝的持續時間設置，其持續時間約為 600 fs。 壓縮機和帶材之間的距離也發揮了重要作用，它限制了增稠力的速度。 綜合起來，這些措施可以保證加速階段注入階段的飛秒精度。
在圖像上 4a 可以看出，在直線加速器中優化加速後，壓縮電子束的能量擴散與未壓縮電子束相比減少了約 4 倍。 由於加速，與未壓縮光束相比，壓縮光束的能譜向更高能量移動。 加速後能譜峰值約為115 keV，高能尾達到125 keV左右。
根據科學家的謙虛說法，這些指標是太赫茲範圍內的新加速記錄（加速前為70 keV）。
但為了減少能量擴散（4a），有必要實現更短的光束。
圖片#5
在未壓縮注入光束的情況下，光束尺寸的拋物線電流依賴性揭示了水平和垂直方向的橫向發射率：εx,n = 1.703 mm*mrad 和 εy,n = 1.491 mm*mrad (5a).
壓縮反過來又將橫向發射率提高了 6 倍，達到 εx,n = 0,285 mm*mrad（水平）和 εy,n = 0,246 mm*mrad（垂直）。
值得注意的是，當電子經歷強聚焦和散焦時，發射度的下降程度大約是光束持續時間減少程度的兩倍，光束持續時間是相互作用動力學隨時間的非線性的度量。加速時的磁場（5b и 5秒).
在圖像上 5b 可以看出，在最佳時刻引入的電子經歷了整個半週期的電場加速。 但在最佳時間點之前或之後到達的電子會經歷較小的加速度，甚至部分減速。 粗略地說，這樣的電子因此接收到的能量較少。
在磁場的影響下也觀察到類似的情況。 在最佳時間注入的電子會經歷對稱量的正負磁場。 如果電子的引入發生在最佳時間之前，那麼就會有更多的正場和更少的負場。 在遲於最佳時間引入電子的情況下，正電荷較少，負電荷較多（5秒）。 這種偏差導致電子可以根據相對於軸的位置向左、向右、向上或向下偏離，這導致與光束聚焦或散焦相對應的橫向動量增加。
為了更詳細地了解這項研究的細微差別，我建議看看 и 給他。
尾聲
綜上所述，如果電子束的持續時間減少，加速器的生產率將會提高。 在本文中，可實現的光束持續時間受到設置幾何形狀的限制。 但理論上，光束持續時間可以達到小於 100 fs。
科學家們還指出，通過降低層的高度和增加層的數量可以進一步提高光束的質量。 然而，該方法並非沒有問題，特別是增加了製造裝置的複雜性。
這項工作是對微型直線加速器進行更廣泛和更詳細研究的初始階段。 儘管測試版本已經顯示出出色的結果，可以正確地稱為記錄，但仍有大量工作要做。
感謝您的關注，保持好奇心，祝大家度過愉快的一周！ 🙂
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來源： www.habr.com