El principio familiar de "más es más poderoso" se ha establecido en muchos sectores de la sociedad, incluida la ciencia y la tecnología. Sin embargo, en las realidades modernas, la implementación práctica del dicho "pequeño, pero inteligente". Esto se manifiesta tanto en computadoras que anteriormente ocupaban toda la habitación, y ahora se colocan en la palma de la mano de un niño, como en aceleradores de partículas cargadas. Sí, sí, ¿recuerdas el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cuyas impresionantes dimensiones (26,659 m de longitud) están literalmente indicadas en su nombre? Entonces, esto ya está en el pasado, según los científicos de DESY que desarrollaron una versión en miniatura del acelerador, que en términos de rendimiento no es inferior a su predecesor de tamaño completo. Además, el mini acelerador incluso estableció un nuevo récord mundial entre los aceleradores de terahercios, duplicando la energía de los electrones incrustados. ¿Cómo se desarrolló el acelerador en miniatura, cuáles son los principios básicos de su funcionamiento y qué han demostrado los experimentos prácticos? Esto nos ayudará a conocer el informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
Según Dongfang Zhang y sus colegas de DESY (Sincrotrón electrónico alemán), que desarrollaron el mini acelerador, las fuentes de electrones ultrarrápidos juegan un papel increíblemente importante en la vida de la sociedad moderna. Muchos de ellos se manifiestan en la medicina, el desarrollo de la electrónica y en la investigación científica. El mayor problema de los aceleradores lineales actuales que utilizan generadores de radiofrecuencia es su alto costo, complejidad de infraestructura y apetitos impresionantes por el consumo de energía. Y tales deficiencias limitan en gran medida la disponibilidad de dichas tecnologías para una gama más amplia de usuarios.
Estos problemas obvios son un gran incentivo para desarrollar dispositivos cuyos tamaños no causen horror, así como el grado de consumo de energía.
Entre las innovaciones relativas en esta industria, podemos distinguir los aceleradores de terahercios, que tienen una serie de "beneficios":
- se espera que las ondas cortas y los pulsos cortos de radiación de terahercios aumenten significativamente el umbral de ruptura * causado por el campo, lo que aumentará los gradientes de aceleración;
Desglose eléctrico * : un fuerte aumento de la corriente cuando se aplica un voltaje por encima del crítico.
- la presencia de métodos efectivos para generar radiación de terahercios de alto campo permite la sincronización interna entre electrones y campos de excitación;
- Se pueden usar métodos clásicos para crear tales dispositivos, pero su costo, tiempo de producción y tamaño se reducirán considerablemente.
Los científicos creen que su acelerador de terahercios a escala milimétrica es un compromiso entre los aceleradores convencionales, que ahora están disponibles, y los microaceleradores, que se están desarrollando, pero tienen muchas deficiencias debido a sus dimensiones muy pequeñas.
Los investigadores no niegan que la tecnología de aceleración de terahercios haya estado en desarrollo durante algún tiempo. Sin embargo, en su opinión, todavía hay muchos aspectos en esta área que no han sido estudiados, verificados o implementados.
En su trabajo, que estamos considerando hoy, los científicos demuestran las capacidades de STEAM (
acelerador y manipulador de electrones de terahercios segmentados), un acelerador y manipulador de electrones de terahercios segmentados. STEAM reduce las longitudes del haz de electrones a duraciones de subpicosegundos, proporcionando así un control de femtosegundos sobre la fase de aceleración.
Fue posible lograr un campo de aceleración de 200 MV / m (MV - megavoltio), lo que conduce a una aceleración récord de terahercios de> 70 keV (kiloelectron-voltios) a partir de un haz de electrones introducido con una energía de 55 keV. Así, se obtuvieron electrones acelerados de hasta 125 keV.
La estructura del dispositivo y su implementación.
Imagen No. 1: diagrama del dispositivo investigado.
Imagen No. 1-2: a - diagrama de la estructura segmentada de 5 capas desarrollada, b - la relación de la aceleración calculada y la dirección de propagación de electrones.Los haces de electrones (55 keV) se generan a partir de la
pistola de electrones * y se incrustan en el terahercio STEAM-buncher (compresor de haces), y luego se transfieren al STEAM-linac (
acelerador lineal * ).
Cañón de electrones * : un dispositivo para generar un haz de electrones de la configuración y energía necesarias.
Acelerador lineal * : un acelerador en el que las partículas cargadas pasan la estructura solo 1 vez, lo que distingue un acelerador lineal de uno cíclico (por ejemplo, LHC).
Ambos dispositivos STEAM reciben pulsos de terahercios de un solo láser de infrarrojo cercano (NIR), que también activa el fotocatodo de la pistola de electrones, lo que resulta en una sincronización interna entre electrones y campos de aceleración. Los pulsos ultravioleta para la fotoemisión en el fotocátodo se generan a través de dos etapas sucesivas de
SHG * de la longitud de onda principal de la luz infrarroja cercana. Este proceso convierte un pulso láser con una longitud de onda de 1020 nm, primero a 510 nm y luego a 255 nm.
SHG * (segunda generación de armónicos ópticos) es el proceso de combinar fotones con la misma frecuencia durante la interacción con material no lineal, que conduce a la formación de nuevos fotones con energía y frecuencia duplicadas, así como la mitad de la longitud de onda.
El resto del haz láser NIR se divide en 4 haces, que se utilizan para generar cuatro pulsos de terahercios de ciclo único al generar una diferencia en las frecuencias de pulso.
Luego, dos pulsos de terahercios ingresan a cada dispositivo STEAM a través de estructuras simétricas de bocina que dirigen la energía de terahercios a la región de interacción a través de la dirección de propagación de electrones.
Cuando los electrones entran en cada uno de los dispositivos STEAM, están expuestos a los componentes eléctricos y magnéticos de
la fuerza de Lorentz * .
Fuerza de Lorentz * : la fuerza con la que un campo electromagnético actúa sobre una partícula cargada.
En este caso, el campo eléctrico es responsable de la aceleración y la desaceleración, y el campo magnético provoca desviaciones laterales.
Imagen No. 2Como vemos en las imágenes
2a y
2b , dentro de cada dispositivo STEAM, los haces de terahercios se dividen en finas láminas de metal en varias capas de diferentes grosores, cada una de las cuales actúa como una guía de ondas que transfiere parte de la energía total a la región de interacción. Además, las placas dieléctricas están presentes en cada capa para que coincida con el tiempo de llegada del
frente de onda de terahercios
* con el frente de electrones.
El frente de onda * es la superficie a la que ha llegado la ola.
Ambos dispositivos STEAM funcionan en modo eléctrico, es decir, de manera que se superponen a un campo eléctrico y suprimen un campo magnético en el centro de la región de interacción.
En el primer dispositivo, los electrones se sincronizan para pasar a través
del cruce por
cero * del campo de terahercios, donde los gradientes temporales del campo eléctrico se maximizan y el campo promedio se minimiza.
El cruce por cero * es el punto donde no hay voltaje.
Tal configuración provoca una aceleración de la cola del haz de electrones y una desaceleración de su cabeza, lo que conduce a un enfoque longitudinal balístico (
2a y
2c ).
En el segundo dispositivo, la sincronización de la radiación de electrones y terahercios se establece de modo que el haz de electrones experimente solo un ciclo negativo del campo eléctrico de terahercios. Esta configuración conduce a una aceleración continua pura (
2b y
2d ).
Un láser con radiación NIR se asemeja a un sistema Yb: YLF enfriado criogénicamente, que emite pulsos ópticos con una duración de 1.2 ps y una energía de 50 mJ a una longitud de onda de 1020 nm y una frecuencia de repetición de 10 Hz. Y los pulsos de terahercios con una frecuencia central de 0.29 terahercios (período de 3.44 ps) son generados por el frente inclinado del pulso.
Solo se utilizaron 2 x 50 nJ de energía de terahercios para alimentar el buncher STEAM (compresor de haz), mientras que se necesitaron 2 x 15 mJ para el STEAM-linac (acelerador lineal).
El diámetro de la entrada y la salida de ambos dispositivos STEAM es de 120 micras.
El compresor de haz está diseñado con tres capas de la misma altura (0.225 mm), que están equipadas con placas de sílice fundida (ϵ
r = 4.41) 0.42 y 0.84 mm de largo para controlar la sincronización de tiempo. Las alturas iguales de las capas del compresor reflejan el hecho de que la aceleración no ocurre (
2s ).
Pero en un acelerador lineal, las alturas ya difieren: 0.225, 0.225 y 0.250 mm (+ placas de sílice fundida 0.42 y 0.84 mm). Un aumento en la altura de la capa explica el aumento en la velocidad del electrón durante la aceleración.
Los científicos señalan que el número de capas es directamente responsable de la funcionalidad de cada uno de los dos dispositivos. Para lograr un mayor grado de aceleración, por ejemplo, se requieren más capas y una configuración de altura diferente para optimizar la interacción.
Los resultados de experimentos prácticos.
En primer lugar, los investigadores recuerdan que en los aceleradores tradicionales basados en radiofrecuencia, la influencia de la extensión temporal de un haz de electrones incrustado en las propiedades de un haz acelerado se asocia con un cambio en el campo eléctrico experimentado durante la interacción de varios electrones dentro del haz que llegan en diferentes momentos. Por lo tanto, se puede suponer que los campos con un gradiente grande y haces con una mayor duración conducirán a una mayor difusión de energías. Los rayos de larga duración introducidos también pueden generar
emisiones más altas
* .
Emittanes * : espacio de fase que ocupa un haz acelerado de partículas cargadas.
En el caso de un acelerador de terahercios, el período del campo de excitación es aproximadamente 200 veces más corto. En consecuencia, la
fuerza * del campo soportado será 10 veces mayor.
La intensidad del campo eléctrico * es un indicador del campo eléctrico igual a la relación de la fuerza aplicada a una carga de punto fijo colocada en un punto dado en el campo a la magnitud de esta carga.
Por lo tanto, en un acelerador de terahercios, los gradientes de campo experimentados por los electrones pueden ser varios órdenes de magnitud más altos que en un dispositivo convencional. La escala de tiempo en la que la curvatura del campo es notable será mucho menor. De esto se deduce que la duración del haz de electrones introducido tendrá un efecto más pronunciado.
Los científicos en la práctica decidieron probar la teoría. Para hacer esto, introdujeron haces de electrones de diferentes duraciones, que fueron controlados por compresión debido al primer dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Imagen No. 3En el caso de que el compresor no estuviera conectado a la fuente de energía, los haces de electrones (55 keV) con una carga de f1 fC (femtocoulon) pasaron aproximadamente 300 mm desde la pistola de electrones al dispositivo acelerador lineal (STEAM-linac). Estos electrones podrían expandirse bajo la influencia de las fuerzas de carga espacial hasta una duración de más de 1000 fs (femtosegundos).
Con tal duración, el haz de electrones ocupó aproximadamente el 60% de la media onda del campo de aceleración con una frecuencia de 1.7 ps, lo que condujo al espectro de energía después de la aceleración con un pico de 115 keV y un ancho medio de la distribución de energía de más de 60 keV (
3a ).
Para comparar estos resultados con los esperados, se simuló la situación de propagación de electrones a través de un acelerador lineal cuando los electrones no estaban sincronizados (es decir, no coincidían con) con respecto al tiempo de introducción óptimo. Los cálculos de esta situación mostraron que el aumento en la energía de los electrones depende mucho del momento de la introducción hasta la escala de tiempo de subpicosegundos (
3b ). Es decir, con una sintonización óptima, el electrón experimentará un medio ciclo completo de aceleración de la radiación de terahercios en cada capa (
3c ).
Si los electrones llegan en diferentes momentos, experimentan menos aceleración en la primera capa, lo que requiere más tiempo para su paso. Luego, la desincronización se mejora en las siguientes capas, desde las cuales hay una desaceleración indeseable (
3d ).
Para minimizar el efecto negativo de la longitud temporal del haz de electrones, el primer dispositivo STEAM trabajó en modo de compresión. La duración del haz de electrones en el acelerador lineal se optimizó a un mínimo de ~ 350 fs (medio ancho) ajustando la energía de terahercios suministrada al compresor y cambiando el acelerador lineal al modo de sombreado (
4b ).
Imagen No. 4La duración mínima del haz se estableció de acuerdo con la duración del pulso UV del fotocatodo, cuya duración fue de ~ 600 fs. La distancia entre el compresor y la tira también jugó un papel importante, lo que limitó la fuerza del engrosamiento en la velocidad. En conjunto, estas medidas permiten garantizar la precisión de femtosegundos de la fase de introducción en la etapa de aceleración.
La figura
4a muestra que la propagación de energía de un haz de electrones comprimido después de una aceleración optimizada en un acelerador lineal disminuye en ~ 4 veces en comparación con la compresión sin comprimir. Debido a la aceleración, el espectro de energía de un haz comprimido se desplaza hacia energías más altas, en contraste con un haz sin comprimir. El pico del espectro de energía después de la aceleración es de aproximadamente 115 keV, y la cola de alta energía alcanza aproximadamente 125 keV.
Estos indicadores, según una modesta declaración de los científicos, son un nuevo registro de aceleración (antes de que la aceleración fuera de 70 keV) en el rango de terahercios.
Pero, para reducir la dispersión de energía (
4a ), es necesario lograr un haz aún más corto.
Imagen No. 5En el caso de un haz introducido sin comprimir, la dependencia parabólica del tamaño del haz con la corriente revela la emitancia transversal en las direcciones horizontal y vertical: ε
x, n = 1.703 mm * mrad y ε
y, n = 1.491 mm * mrad (
5a ).
La compresión, a su vez, mejoró la emisión transversal en un factor de 6 a ε
x, n = 0.285 mm * mrad (horizontal) y ε
y, n = 0.246 mm * mrad (vertical).
Cabe señalar que el grado de disminución de la emisión es aproximadamente dos veces mayor que el grado de reducción en la duración del haz, que es una medida de la no linealidad de la dinámica de interacción con el tiempo, cuando los electrones experimentan un fuerte enfoque y desenfoque del campo magnético durante la aceleración (
5b y
5c ).
Se puede ver en la imagen
5b que los electrones introducidos en el momento óptimo experimentan todo el medio período de la aceleración del campo eléctrico. Pero los electrones que llegan antes o después del punto óptimo en el tiempo experimentan menos aceleración e incluso una desaceleración parcial. Tales electrones como resultado reciben menos energía, en términos generales.
Se observa una situación similar cuando se expone a un campo magnético. Los electrones introducidos en el momento óptimo experimentan una cantidad simétrica de campos magnéticos positivos y negativos. Si la introducción de electrones ocurrió antes del tiempo óptimo, entonces hubo más campos positivos y menos negativos. En el caso de la introducción de electrones más tarde que el tiempo óptimo, hay menos positivos y más negativos (
5s ). Y tales desviaciones conducen al hecho de que el electrón puede desviarse hacia la izquierda, derecha, arriba o abajo dependiendo de la posición relativa al eje, lo que conduce a un aumento en el momento transversal correspondiente al enfoque o desenfoque del haz.
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el
informe de los científicos y los
materiales adicionales .
Epílogo
En resumen, el rendimiento del acelerador aumentará en el caso de una disminución en la duración del haz de electrones. En este trabajo, la duración de la viga alcanzable estuvo limitada por la geometría de la instalación. Pero, en teoría, la duración del haz puede alcanzar menos de 100 fs.
Los científicos también señalan que la calidad del haz se puede mejorar aún más reduciendo la altura de las capas y aumentando su número. Sin embargo, este método no está exento de problemas, en particular, aumentando la complejidad de la producción del dispositivo.
Este trabajo es la etapa inicial de un estudio más extenso y detallado de una versión en miniatura de un acelerador lineal. A pesar de que la versión probada ya muestra excelentes resultados, que con razón se pueden llamar récord, todavía hay mucho trabajo por hacer.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)
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