منذ فترة طويلة المبدأ المألوف "أكثر قوة" راسخ في العديد من قطاعات المجتمع ، بما في ذلك العلوم والتكنولوجيا. ومع ذلك ، في الواقع الحديث ، والتنفيذ العملي للقول "صغيرة ، ولكن ذكي". يتجلى ذلك في أجهزة الكمبيوتر التي كانت تشغل الغرفة بأكملها من قبل ، ويتم وضعها الآن في راحة الطفل ، وفي مسرعات الجسيمات المشحونة. نعم ، نعم ، هل تتذكر "مصادم هادرون الكبير" (LHC) ، الذي يشار حرفيًا إلى أبعاده (26،659 مترًا)؟ لذلك ، كان هذا بالفعل في الماضي ، وفقًا لعلماء DESY الذين طوروا نسخة مصغرة من المعجل ، والتي من حيث الأداء ليست أقل من سابقتها كاملة الحجم. علاوة على ذلك ، فإن المسرع المصغر سجل رقما قياسيا عالميا جديدا بين مسرعات تيراهيرتز ، مما يضاعف طاقة الإلكترونات المدمجة. كيف تم تطوير مسرع المنمنمات ، ما هي المبادئ الأساسية لتشغيله ، وما هي التجارب العملية الموضحة؟ هذا سوف يساعدنا على معرفة تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
وفقًا لدونغ فانغ تشانغ وزملاؤه من DESY (Synchrotron الألمانية الإلكترونية) ، الذين طوروا المعجل الصغير ، تلعب مصادر الإلكترون فائقة السرعة دورًا مهمًا للغاية في حياة المجتمع الحديث. يتجلى الكثير منهم في الطب ، وتطوير الإلكترونيات والبحث العلمي. إن أكبر مشكلة في المسرعات الخطية الحالية التي تستخدم مولدات التردد اللاسلكي هي كلفتها العالية ، وتعقيد البنية التحتية ، والشهية المدهشة لاستهلاك الطاقة. وتحد هذه العيوب بشكل كبير من توافر هذه التقنيات لمجموعة واسعة من المستخدمين.
هذه المشكلات الواضحة تشكل حافزًا كبيرًا لتطوير أجهزة لا تسبب أحجامها الرعب ، فضلاً عن درجة استهلاك الطاقة.
من بين الابتكارات النسبية في هذه الصناعة ، يمكننا التمييز بين معجلات تيراهيرتز ، والتي لديها عدد من "الأشياء الجيدة":
- من المتوقع أن تزيد الموجات القصيرة والنبضات القصيرة من إشعاع تيراهيرتز بشكل كبير من عتبة الانهيار * الناجمة عن المجال ، مما سيزيد من تدرجات التسارع ؛
الانهيار الكهربائي * - زيادة حادة في التيار عند تطبيق الجهد فوق الحرج.
- وجود طرق فعالة لتوليد إشعاع تيراهيرتز عالي المجال يتيح التزامن الداخلي بين الإلكترونات وحقول الإثارة ؛
- يمكن استخدام الطرق الكلاسيكية لإنشاء مثل هذه الأجهزة ، ولكن سيتم تقليل التكلفة ووقت الإنتاج والحجم بشكل كبير.
يعتقد العلماء أن مسرع تيراهيرتز على مقياس الملليمتر يعد حلاً وسطًا بين المعجلات التقليدية المتوفرة الآن والمسرعات الصغيرة التي يتم تطويرها ، ولكن يوجد بها العديد من أوجه القصور بسبب أبعادها الصغيرة جدًا.
لا ينكر الباحثون أن تقنية تسريع تيراهيرتز كانت قيد التطوير لبعض الوقت. ومع ذلك ، في رأيهم ، لا يزال هناك الكثير من الجوانب في هذا المجال لم تتم دراستها أو التحقق منها أو تنفيذها.
في عملهم ، الذي ندرسه اليوم ، يبرهن العلماء على إمكانات STEAM (
مسرع ومعالج تيراهيرتز الإلكتروني المقسم ) - وهو مسرع ومعالج إلكتروني مجزأ من تيراهيرتز. يعمل STEAM على تقليل أطوال شعاع الإلكترون إلى فترات زمنية دون الثانية ، مما يوفر التحكم في فيمتوثانية في مرحلة التسارع.
كان من الممكن تحقيق مجال تسارع يبلغ 200 MV / m (MV - megavolt) ، مما يؤدي إلى تسارع terahertz قياسي> 70 كيلو فولت (كيلو فولت إلكترون فولت) من حزمة الإلكترون المقدمة مع طاقة تبلغ 55 كيلو فولت. وبالتالي ، تم الحصول على الإلكترونات المتسارعة تصل إلى 125 كيلو فولت.
هيكل الجهاز وتنفيذه
الصورة رقم 1: رسم تخطيطي للجهاز الذي تم التحقيق فيه
الصورة رقم 1-2: أ - رسم تخطيطي للهيكل المجزأة المكون من 5 طبقات ، ب - نسبة التسارع المحسوب واتجاه الانتشار الإلكتروني.يتم إنشاء حزم الإلكترون (55 كيلو فولت) من
مسدس الإلكترون * ومضمنة في terahertz STEAM-buncher (ضاغط الحزمة) ، ثم يتم نقلها إلى STEAM-linac (
مسرع خطي * ).
مسدس الإلكترون * - جهاز لتوليد حزمة الإلكترون من التكوين والطاقة اللازمة.
المسرع الخطي * - مسرع تمر فيه الجسيمات المشحونة بالهيكل مرة واحدة فقط ، مما يميز المسرع الخطي عن المسرع الدوري (على سبيل المثال ، LHC).
يتلقى كلا الجهازين STEAM نبضات تيراهيرتز من ليزر أحادي الأشعة تحت الحمراء (NIR) ، مما يؤدي أيضًا إلى تشغيل الكود الضوئي الخاص بمدفع الإلكترون ، مما يؤدي إلى التزامن الداخلي بين الإلكترونات والمجالات المتسارعة. يتم إنشاء نبضات الأشعة فوق البنفسجية للتصوير الضوئي في الكاثود الضوئي من خلال مرحلتين متعاقبتين من
SHG * لطول الموجة الرئيسية للضوء تحت الأحمر القريب. تقوم هذه العملية بتحويل نبضة ليزر بطول موجة 1020 نانومتر ، أولاً عند 510 نانومتر ، ثم عند 255 نانومتر.
SHG * (الجيل التوافقي البصري الثاني) هي عملية دمج الفوتونات مع نفس التردد أثناء التفاعل مع المواد غير الخطية ، مما يؤدي إلى تكوين فوتونات جديدة ذات طاقة مضاعفة وتردد ، وكذلك نصف طول الموجة.
يتم تقسيم ما تبقى من حزمة الليزر NIR إلى 4 حزم ، والتي تستخدم لتوليد أربعة نبضات تيراهيرتز دورة واحدة من خلال توليد فرق في الترددات في نبض.
بعد ذلك ، يدخل نبضان من تيراهيرتز إلى كل جهاز من أجهزة STEAM من خلال هياكل القرن المتناظرة التي توجه طاقة تيراهيرتز إلى منطقة التفاعل عبر اتجاه انتشار الإلكترون.
عندما تدخل الإلكترونات إلى كل من أجهزة STEAM ، فإنها تتعرض للمكونات الكهربائية والمغناطيسية
لقوة لورنتز * .
قوة لورنتز * - القوة التي يعمل بها المجال الكهرومغناطيسي على جسيم مشحون.
في هذه الحالة ، يكون المجال الكهربائي مسؤولاً عن التسارع والتباطؤ ، ويتسبب المجال المغناطيسي في الانحرافات الجانبية.
الصورة رقم 2كما نرى في الصورتين
2 أ و
2 ب ، داخل كل جهاز STEAM ، تنقسم حزم terahertz عبر صفائح معدنية رفيعة إلى عدة طبقات بسماكة مختلفة ، يعمل كل منها كدليل موجي ينقل جزءًا من الطاقة الكلية إلى منطقة التفاعل. أيضًا ، توجد لوحات عازلة في كل طبقة لتتناسب مع وقت وصول
جبهة موجة terahertz
* مع واجهة الإلكترون.
واجهة الموجة * هي السطح الذي وصلت إليه الموجة.
يعمل كلا الجهازين STEAM في الوضع الكهربائي ، أي بطريقة تراكب الحقل الكهربائي وقمع المجال المغناطيسي في وسط منطقة التفاعل.
في الجهاز الأول ، يتم توقيت الإلكترونات بحيث تمر عبر
التقاطع الصفري * لحقل terahertz ، حيث يتم تكبير التدرجات الزمنية للحقل الكهربائي إلى الحد الأدنى وتقليل الحقل المتوسط إلى الحد الأدنى.
نقطة الصفر * هي النقطة التي لا يوجد فيها جهد.
يؤدي هذا التكوين إلى تسارع ذيل شعاع الإلكترون وتباطؤ رأسه ، مما يؤدي إلى التركيز الباليستي الطولي (
2 أ و
2 ج ).
في الجهاز الثاني ، يتم ضبط تزامن الإشعاع الإلكتروني وتيراهيرتز بحيث لا تواجه حزمة الإلكترون سوى دورة سالبة من المجال الكهربائي تيراهيرتز. هذا التكوين يؤدي إلى تسارع مستمر نقي (
2b و
2 d ).
يشبه الليزر المزود بإشعاع NIR نظام Yb: YLF الذي يتم تبريده بشكل مبرد ، والذي يصدر نبضات بصرية مدتها 1.2 ps وطاقة قدرها 50 mJ عند طول موجي يبلغ 1020 نانومتر ومعدل تكرار قدره 10 هرتز. ويتم إنشاء نبضات تيراهيرتز بتردد مركزي قدره 0.29 تيراهيرتز (فترة 3.44 ps) بواسطة الجبهة المنحدرة للنبض.
تم استخدام 2 × 50 نيوجيرسي فقط من طاقة تيراهيرتز لتشغيل جهاز تقطيع البخار STEAM (ضاغط الحزمة) ، بينما كانت هناك حاجة إلى 2 × 15 mJ للجيل STEAM (مسرع خطي).
قطر مدخل ومخرج كجهازين STEAM هو 120 ميكرون.
تم تصميم ضاغط الحزمة بثلاث طبقات من نفس الارتفاع (0.225 مم) ، وهي مزودة بألواح السيليكا المنصهرة (ϵ
r = 4.41) بطول 0.42 و 0.84 مم للتحكم في تزامن الوقت. تعكس الارتفاعات المتساوية لطبقات الضاغط حقيقة عدم حدوث تسارع (
2s ).
ولكن في المسرع الخطي ، تختلف المرتفعات بالفعل - 0.225 و 0.225 و 0.250 مم (+ ألواح السيليكا المنصهرة 0.42 و 0.84 مم). توضح الزيادة في ارتفاع الطبقة زيادة سرعة الإلكترون أثناء التسارع.
يلاحظ العلماء أن عدد الطبقات مسؤول بشكل مباشر عن وظيفة كل من الجهازين. لتحقيق درجة أعلى من التسارع ، على سبيل المثال ، هناك حاجة إلى مزيد من الطبقات وتكوين ارتفاع مختلف لتحسين التفاعل.
نتائج التجارب العملية
بادئ ذي بدء ، يتذكر الباحثون أنه في المعجلات التقليدية القائمة على الترددات الراديوية ، يرتبط تأثير المدى الزمني لحزمة الإلكترون المضمنة على خواص الحزمة المتسارعة بتغير المجال الكهربائي الذي حدث أثناء تفاعل مختلف الإلكترونات داخل الحزمة التي تصل في أوقات مختلفة. وبالتالي ، يمكن افتراض أن الحقول ذات التدرج الكبير والعوارض ذات المدة الطويلة ستؤدي إلى انتشار أكبر للطاقات. يمكن أن تؤدي الحزم طويلة الأجل المقدمة أيضًا إلى زيادة
الانبعاثات * .
Emittans * - طور الفضاء الذي يشغل شعاع متسارع من الجسيمات المشحونة.
في حالة مسرع تيراهيرتز ، تكون فترة مجال الإثارة أقصر بنحو 200 مرة. وبالتالي ، ستكون
قوة * الحقل المدعم أعلى 10 مرات.
شدة المجال الكهربائي * هي مؤشر على المجال الكهربائي يساوي نسبة القوة المطبقة على شحنة النقطة الثابتة الموضوعة في نقطة معينة في الحقل إلى حجم هذه الشحنة.
وهكذا ، في مسرع تيراهيرتز ، يمكن أن تكون التدرجات الحقلية التي تعاني منها الإلكترونات أعلى عدة مرات من حيث الحجم في الأجهزة التقليدية. المقياس الزمني الذي يكون فيه انحناء الحقل ملحوظًا سيكون أصغر بكثير. ويترتب على ذلك أن مدة شعاع الإلكترون المقدمة سيكون لها تأثير أكثر وضوحًا.
قرر العلماء في الممارسة العملية اختبار النظرية. للقيام بذلك ، قدّموا حزمًا إلكترونية من فترات مختلفة ، والتي تم التحكم فيها عن طريق الضغط بسبب أول جهاز STEAM (STEAM-buncher).
الصورة رقم 3في حالة عدم توصيل الضاغط بمصدر طاقة ، تمر أشعة الإلكترون (55 كيلو فولت) بشحنة تبلغ f1 fC (femtocoulon) حوالي 300 مم من مسدس الإلكترون إلى جهاز التسريع الخطي (STEAM-linac). يمكن أن تتوسع هذه الإلكترونات تحت تأثير قوى شحنة الفضاء لمدة تصل إلى أكثر من 1000 fs (فيمتوثانية).
مع هذه المدة ، احتلت شعاع الإلكترون حوالي 60٪ من نصف الموجة للحقل المتسارع بتردد قدره 1.7 ps ، مما أدى إلى طيف الطاقة بعد التسارع مع ذروة 115 كيلو فولت وعرض نصف توزيع الطاقة بأكثر من 60 كيلو فولت (
3 أ ).
لمقارنة هذه النتائج بالنتائج المتوقعة ، تمت محاكاة حالة انتشار الإلكترون من خلال مسرع خطي عندما كانت الإلكترونات غير متزامنة (أي ، لم تتزامن مع) فيما يتعلق بوقت التقديم الأمثل. أوضحت حسابات هذا الموقف أن الزيادة في طاقة الإلكترون تعتمد إلى حد كبير على لحظة التقديم حتى مقياس الزمن الفرعي للثانية (
3 ب ). وهذا هو ، مع توليف الأمثل ، سوف الإلكترون تجربة نصف دورة كاملة من تسارع إشعاع تيراهيرتز في كل طبقة (
3C ).
إذا وصلت الإلكترونات في أوقات مختلفة ، فإنها تعاني من تسارع أقل في الطبقة الأولى ، الأمر الذي يتطلب المزيد من الوقت لمرورها. ثم يتم تحسين عدم التزامن في الطبقات التالية ، والتي يوجد منها تباطؤ غير مرغوب فيه (
ثلاثي الأبعاد ).
من أجل تقليل التأثير السلبي للطول الزمني لشعاع الإلكترون ، عمل أول جهاز STEAM في وضع الضغط. تم تحسين مدة شعاع الإلكترون في مسرع الخطي إلى ما لا يقل عن 350 fs (نصف العرض) عن طريق ضبط طاقة تيراهيرتز الموردة إلى الضاغط وتحويل مسرع الخطي إلى وضع الفقس (
4 ب ).
الصورة رقم 4تم تعيين الحد الأدنى لمدة الشعاع وفقًا لمدة نبضة الأشعة فوق البنفسجية في الكاثود الضوئي ، وكانت المدة تقريبًا 600 fs. لعبت المسافة بين الضاغط والشريط أيضًا دورًا مهمًا ، حيث حدت من قوة سماكة السرعة. معا ، تتيح هذه التدابير ضمان دقة الفمتوثانية لمرحلة التقديم في مرحلة التسارع.
يوضح الشكل
4 أ أن انتشار الطاقة لحزمة الإلكترون المضغوطة بعد تسارع محسّن في مسرع خطي يتناقص بمقدار 4 مرات تقريبًا مقارنة بغير مضغوط. بسبب التسارع ، ينتقل طيف الطاقة لحزمة مضغوطة نحو طاقات أعلى ، على عكس الحزمة غير المضغوطة. تبلغ ذروة طيف الطاقة بعد التسارع حوالي 115 كيلو فولت ، ويصل الذيل عالي الطاقة إلى حوالي 125 كيلو فولت.
هذه المؤشرات ، وفقًا لبيان متواضع من العلماء ، هي رقم قياسي جديد من التسارع (قبل أن يكون التسارع 70 كيلو فولت) في نطاق تيراهيرتز.
ولكن ، من أجل تقليل انتشار الطاقة (
4a ) ، من الضروري تحقيق شعاع أقصر.
الصورة رقم 5في حالة شعاع تم إدخاله غير مضغوط ، يكشف الاعتماد المكافئ لحجم الحزمة على التيار المنبعثة المستعرض في الاتجاهات الأفقية والعمودية: ε
x ، n = 1.703 مم * mrad و ε
y ، n = 1.491 مم * mrad (
5a ).
أدى الضغط ، بدوره ، إلى تحسين الانبعاث العرضي بمقدار 6 مرات إلى ε
x ، n = 0.285 مم * mrad (أفقي) و ε
y ، n = 0.246 mm * mrad (عمودي).
تجدر الإشارة إلى أن درجة الانخفاض في الانبعاث أكبر مرتين تقريبًا من درجة الانخفاض في مدة الحزمة ، وهو مقياس لعدم خطية ديناميات التفاعل مع الوقت ، عندما تواجه الإلكترونات تركيزًا قويًا وإلغاء تركيز المجال المغناطيسي أثناء التسارع (
5 ب و
5 ج ).
يمكن أن نرى في الصورة
5 ب أن الإلكترونات التي أدخلت في الوقت الأمثل واجهت نصف فترة تسارع المجال الكهربائي بأكمله. لكن الإلكترونات التي تصل قبل أو بعد النقطة المثلى من الزمن تواجه تسارعًا أقل وحتى تباطؤًا جزئيًا. مثل هذه الإلكترونات تحصل على طاقة أقل ، بشكل تقريبي.
ويلاحظ موقف مماثل عندما تتعرض لحقل مغناطيسي. الإلكترونات المقدمة في الوقت الأمثل تجربة كمية متماثلة من المجالات المغناطيسية الإيجابية والسلبية. إذا حدث إدخال الإلكترونات في وقت أبكر من الوقت الأمثل ، فهناك حقول أكثر إيجابية وأقل سلبية. في حالة إدخال الإلكترونات في وقت متأخر عن الوقت الأمثل ، هناك عدد أقل إيجابية وإيجابية (
5s ). وتؤدي هذه الانحرافات إلى حقيقة أن الإلكترون يمكن أن ينحرف إلى اليسار أو اليمين أو لأعلى أو لأسفل اعتمادًا على الموضع بالنسبة للمحور ، مما يؤدي إلى زيادة في الزخم العرضي المقابل لتركيز الشعاع أو إلغاء تركيزه.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء ومواد
إضافية إليه.
خاتمة
بإيجاز ، سوف يزيد أداء المعجل في حالة انخفاض مدة شعاع الإلكترون. في هذا العمل ، كانت مدة الحزمة القابلة للتحقيق محدودة بواسطة هندسة التركيب. ولكن ، من الناحية النظرية ، يمكن أن تصل مدة الشعاع إلى أقل من 100 fs.
يلاحظ العلماء أيضًا أن جودة الحزمة يمكن تحسينها عن طريق تقليل ارتفاع الطبقات وزيادة عددها. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لا تخلو من المشاكل ، على وجه الخصوص ، مما يزيد من تعقيد إنتاج الجهاز.
هذا العمل هو المرحلة الأولى من دراسة أكثر شمولاً وتفصيلا لنسخة مصغرة من مسرع خطي. على الرغم من حقيقة أن النسخة المختبرة تظهر بالفعل نتائج ممتازة ، والتي يمكن أن يطلق عليها بحق سجل ، لا يزال هناك الكثير من العمل.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟