Das bekannte Prinzip „Mehr ist mächtiger“ ist in vielen Bereichen der Gesellschaft, einschließlich Wissenschaft und Technologie, seit langem etabliert. In der modernen Realität ist die praktische Umsetzung des Sprichworts "klein, aber klug". Dies manifestiert sich sowohl in Computern, die zuvor den gesamten Raum einnahmen und jetzt in der Handfläche eines Kindes platziert sind, als auch in Beschleunigern für geladene Teilchen. Ja, ja, erinnern Sie sich an den Large Hadron Collider (LHC), dessen beeindruckende Abmessungen (26.659 m Länge) buchstäblich in seinem Namen angegeben sind? Laut DESY-Wissenschaftlern, die eine Miniaturversion des Beschleunigers entwickelt haben, die in Bezug auf die Leistung dem Vorgänger in voller Größe nicht unterlegen ist, liegt dies bereits in der Vergangenheit. Darüber hinaus stellte der Minibeschleuniger sogar einen neuen Weltrekord unter den Terahertz-Beschleunigern auf und verdoppelte die Energie der eingebetteten Elektronen. Wie wurde der Miniaturbeschleuniger entwickelt, was sind die Grundprinzipien seiner Funktionsweise und was haben praktische Experimente gezeigt? Dies wird uns helfen, den Bericht der Forschungsgruppe zu lernen. Lass uns gehen.
Studienbasis
Laut Dongfang Zhang und seinen Kollegen von DESY (Deutsches Elektronisches Synchrotron), die den Minibeschleuniger entwickelt haben, spielen ultraschnelle Elektronenquellen eine unglaublich wichtige Rolle im Leben der modernen Gesellschaft. Viele von ihnen manifestieren sich in der Medizin, der Entwicklung der Elektronik und in der wissenschaftlichen Forschung. Das größte Problem aktueller Linearbeschleuniger, die Hochfrequenzgeneratoren verwenden, sind ihre hohen Kosten, ihre Infrastrukturkomplexität und ihr beeindruckender Appetit auf Stromverbrauch. Und solche Mängel schränken die Verfügbarkeit solcher Technologien für ein breiteres Anwenderspektrum erheblich ein.
Diese offensichtlichen Probleme sind ein großer Anreiz, Geräte zu entwickeln, deren Größe keinen Horror verursacht, sowie den Grad des Stromverbrauchs.
Unter den relativen Innovationen in dieser Branche können wir Terahertz-Beschleuniger unterscheiden, die eine Reihe von "Goodies" aufweisen:
- Es wird erwartet, dass kurze Wellen und kurze Impulse von Terahertz-Strahlung die durch das Feld verursachte Durchbruchschwelle * signifikant erhöhen, was die Beschleunigungsgradienten erhöht.
Elektrischer Durchschlag * - ein starker Anstieg des Stroms, wenn eine Spannung über dem kritischen Wert angelegt wird.
- Das Vorhandensein wirksamer Methoden zur Erzeugung von Terahertz-Hochfeldstrahlung ermöglicht die interne Synchronisation zwischen Elektronen und Anregungsfeldern.
- Zur Herstellung solcher Geräte können klassische Methoden verwendet werden, deren Kosten, Produktionszeit und Größe jedoch erheblich reduziert werden.
Wissenschaftler glauben, dass ihr Terahertz-Beschleuniger im Millimeterbereich ein Kompromiss zwischen herkömmlichen Beschleunigern, die jetzt erhältlich sind, und Mikrobeschleunigern, die derzeit entwickelt werden, aber aufgrund ihrer sehr kleinen Abmessungen viele Mängel aufweist.
Forscher bestreiten nicht, dass die Terahertz-Beschleunigungstechnologie seit einiger Zeit in der Entwicklung ist. Ihrer Meinung nach gibt es in diesem Bereich jedoch noch viele Aspekte, die nicht untersucht, verifiziert oder umgesetzt wurden.
In ihrer Arbeit, die wir heute betrachten, demonstrieren Wissenschaftler die Fähigkeiten von STEAM (
segmentierter Terahertz-Elektronenbeschleuniger und -Manipulator ) - einem segmentierten Terahertz-Elektronenbeschleuniger und -manipulator. STEAM reduziert die Elektronenstrahllängen auf Subpicosekunden-Dauer und bietet so eine Femtosekunden-Kontrolle über die Beschleunigungsphase.
Es konnte ein Beschleunigungsfeld von 200 MV / m (MV - Megavolt) erreicht werden, was zu einer Rekord-Terahertz-Beschleunigung von> 70 keV (Kiloelektronenvolt) aus einem eingeführten Elektronenstrahl mit einer Energie von 55 keV führt. So wurden beschleunigte Elektronen bis zu 125 keV erhalten.
Die Struktur des Geräts und seine Implementierung
Bild Nr. 1: Diagramm des untersuchten Gerätes.
Bild Nr. 1-2: a - Diagramm der entwickelten 5-Schicht-Segmentstruktur, b - Verhältnis der berechneten Beschleunigung und der Richtung der Elektronenausbreitung.Elektronenstrahlen (55 keV) werden von der
Elektronenkanone * erzeugt und in den Terahertz-STEAM-Buncher (Strahlkompressor) eingebettet und dann auf den STEAM-Linac (
Linearbeschleuniger * ) übertragen.
Elektronenkanone * - ein Gerät zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit der erforderlichen Konfiguration und Energie.
Linearbeschleuniger * - ein Beschleuniger, bei dem geladene Teilchen die Struktur nur einmal passieren, wodurch ein Linearbeschleuniger von einem zyklischen (z. B. LHC) unterschieden wird.
Beide STEAM-Geräte empfangen Terahertz-Impulse von einem einzelnen Nahinfrarotlaser (NIR), der auch die Fotokathode der Elektronenkanone auslöst, was zu einer internen Synchronisation zwischen Elektronen und Beschleunigungsfeldern führt. Ultraviolette Impulse für die Photoemission an der Fotokathode werden durch zwei aufeinanderfolgende Stufen von
SHG * der Hauptwellenlänge des nahen Infrarotlichts erzeugt. Dieser Prozess wandelt einen Laserpuls mit einer Wellenlänge von 1020 nm zuerst bei 510 nm und dann bei 255 nm um.
SHG * (zweite Erzeugung der optischen Harmonischen) ist der Prozess der Kombination von Photonen mit derselben Frequenz während der Wechselwirkung mit nichtlinearem Material, der zur Bildung neuer Photonen mit doppelter Energie und Frequenz sowie der halben Wellenlänge führt.
Der Rest des NIR-Laserstrahls ist in 4 Strahlen unterteilt, die zur Erzeugung von vier Terahertz-Einzelzyklusimpulsen verwendet werden, indem eine Differenz der In-Puls-Frequenzen erzeugt wird.
Zwei Terahertz-Impulse treten dann durch symmetrische Hornstrukturen in jede STEAM-Vorrichtung ein, die Terahertz-Energie über die Elektronenausbreitungsrichtung in den Wechselwirkungsbereich leiten.
Wenn Elektronen in jedes der STEAM-Geräte eintreten, sind sie den elektrischen und magnetischen Komponenten
der Lorentz-Kraft * ausgesetzt.
Lorentzkraft * - die Kraft, mit der ein elektromagnetisches Feld auf ein geladenes Teilchen wirkt.
In diesem Fall ist das elektrische Feld für die Beschleunigung und Verzögerung verantwortlich, und das Magnetfeld verursacht seitliche Abweichungen.
Bild Nr. 2Wie wir in den Bildern
2a und
2b sehen , werden Terahertz-Strahlen in jeder STEAM-Vorrichtung über dünne Metallbleche in mehrere Schichten unterschiedlicher Dicke aufgeteilt, von denen jede als Wellenleiter fungiert, der einen Teil der Gesamtenergie auf den Wechselwirkungsbereich überträgt. Außerdem sind in jeder Schicht dielektrische Platten vorhanden, um die Ankunftszeit der Terahertz-
Wellenfront * mit der Elektronenfront abzustimmen.
Die Wellenfront * ist die Oberfläche, die die Welle erreicht hat.
Beide STEAM-Bauelemente arbeiten im elektrischen Modus, dh so, dass ein elektrisches Feld überlagert und ein Magnetfeld in der Mitte des Wechselwirkungsbereichs unterdrückt wird.
In der ersten Vorrichtung werden die Elektronen so zeitgesteuert, dass sie
den Nulldurchgang * des Terahertz-Feldes passieren, wo die zeitlichen Gradienten des elektrischen Feldes maximiert und das durchschnittliche Feld minimiert werden.
Der Nulldurchgang * ist der Punkt, an dem keine Spannung anliegt.
Eine solche Konfiguration bewirkt eine Beschleunigung des Schwanzes des Elektronenstrahls und eine Verzögerung seines Kopfes, was zu einer ballistischen Längsfokussierung führt (
2a und
2c ).
In der zweiten Vorrichtung wird die Synchronisation der Elektronen- und Terahertz-Strahlung so eingestellt, dass der Elektronenstrahl nur einen negativen Zyklus des elektrischen Terahertz-Feldes erfährt. Diese Konfiguration führt zu einer reinen kontinuierlichen Beschleunigung (
2b und
2d ).
Ein Laser mit NIR-Strahlung ähnelt einem kryogen gekühlten Yb: YLF-System, das optische Impulse mit einer Dauer von 1,2 ps und einer Energie von 50 mJ bei einer Wellenlänge von 1020 nm und einer Wiederholungsrate von 10 Hz aussendet. Und Terahertz-Impulse mit einer Mittenfrequenz von 0,29 Terahertz (Periode von 3,44 ps) werden durch die abfallende Vorderseite des Impulses erzeugt.
Nur 2 x 50 nJ Terahertz-Energie wurden verwendet, um den STEAM-Buncher (Strahlkompressor) anzutreiben, während für den STEAM-Linac (Linearbeschleuniger) 2 x 15 mJ erforderlich waren.
Der Durchmesser des Einlasses und Auslasses beider STEAM-Geräte beträgt 120 Mikrometer.
Der Strahlkompressor besteht aus drei Schichten gleicher Höhe (0,225 mm), die mit Quarzglasplatten (ϵ
r = 4,41) mit einer Länge von 0,42 und 0,84 mm zur Steuerung der Zeitsynchronisation ausgestattet sind. Die gleichen Höhen der Kompressorschichten spiegeln die Tatsache wider, dass keine Beschleunigung auftritt (
2s ).
Bei einem Linearbeschleuniger unterscheiden sich die Höhen jedoch bereits - 0,225, 0,225 und 0,250 mm (+ Quarzglasplatten 0,42 und 0,84 mm). Eine Zunahme der Schichthöhe erklärt die Zunahme der Elektronengeschwindigkeit während der Beschleunigung.
Wissenschaftler stellen fest, dass die Anzahl der Schichten direkt für die Funktionalität jedes der beiden Geräte verantwortlich ist. Um beispielsweise einen höheren Beschleunigungsgrad zu erreichen, sind mehr Schichten und eine andere Höhenkonfiguration erforderlich, um die Wechselwirkung zu optimieren.
Die Ergebnisse praktischer Experimente
Zunächst erinnern die Forscher daran, dass bei herkömmlichen Beschleunigern, die auf Radiofrequenzen basieren, der Einfluss der zeitlichen Ausdehnung eines eingebetteten Elektronenstrahls auf die Eigenschaften eines beschleunigten Strahls mit einer Änderung des elektrischen Feldes verbunden ist, die während der Wechselwirkung verschiedener Elektronen innerhalb des Strahls zu unterschiedlichen Zeiten auftritt. Es ist daher davon auszugehen, dass Felder mit großem Gradienten und Strahlen mit längerer Dauer zu einer größeren Energiestreuung führen. Eingeführte Langzeitstrahlen können auch zu höheren
Emissionen führen * .
Emittans * - Phasenraum, der einen beschleunigten Strahl geladener Teilchen einnimmt.
Bei einem Terahertz-Beschleuniger ist die Periode des Anregungsfeldes ungefähr 200-mal kürzer. Folglich ist die
Stärke * des unterstützten Feldes zehnmal höher.
Die elektrische Feldstärke * ist ein Indikator für das elektrische Feld, der dem Verhältnis der Kraft, die auf eine an einem bestimmten Punkt im Feld platzierte Festpunktladung ausgeübt wird, zur Größe dieser Ladung entspricht.
Somit können in einem Terahertz-Beschleuniger Feldgradienten, die Elektronen erfahren, mehrere Größenordnungen höher sein als in einer herkömmlichen Vorrichtung. Die Zeitskala, in der die Krümmung des Feldes erkennbar ist, ist viel kleiner. Daraus folgt, dass die Dauer des eingeführten Elektronenstrahls einen stärkeren Effekt hat.
Wissenschaftler in der Praxis beschlossen, die Theorie zu testen. Zu diesem Zweck führten sie Elektronenstrahlen unterschiedlicher Dauer ein, die durch Komprimierung aufgrund des ersten STEAM-Geräts (STEAM-Buncher) gesteuert wurden.
Bild Nr. 3In dem Fall, in dem der Kompressor nicht an eine Stromquelle angeschlossen war, gingen Elektronenstrahlen (55 keV) mit einer Ladung von ~ 1 fC (Femtocoulon) ungefähr 300 mm von der Elektronenkanone zur Linearbeschleunigervorrichtung (STEAM-linac). Diese Elektronen könnten sich unter dem Einfluss von Raumladungskräften bis zu einer Dauer von mehr als 1000 fs (Femtosekunden) ausdehnen.
Mit einer solchen Dauer nahm der Elektronenstrahl etwa 60% der Halbwelle des Beschleunigungsfeldes mit einer Frequenz von 1,7 ps ein, was nach Beschleunigung mit einem Peak von 115 keV und einer halben Breite der Energieverteilung von mehr als 60 keV zum Energiespektrum führte (
3a ).
Um diese Ergebnisse mit den erwarteten zu vergleichen, wurde die Situation der Elektronenausbreitung durch einen Linearbeschleuniger simuliert, wenn die Elektronen in Bezug auf die optimale Einführungszeit nicht synchron waren (d. H. Nicht übereinstimmten). Die Berechnungen dieser Situation zeigten, dass der Anstieg der Elektronenenergie sehr stark vom Zeitpunkt der Einführung bis zur Subpikosekunden-Zeitskala abhängt (
3b ). Das heißt, bei optimaler Abstimmung erfährt das Elektron in jeder Schicht (
3c ) einen vollständigen Halbzyklus der Beschleunigung der Terahertz-Strahlung.
Wenn die Elektronen zu unterschiedlichen Zeiten ankommen, erfahren sie in der ersten Schicht eine geringere Beschleunigung, was mehr Zeit für ihren Durchgang erfordert. Dann wird die Desynchronisation in den folgenden Schichten verbessert, von denen es eine unerwünschte Verzögerung gibt (
3d ).
Um den negativen Effekt der zeitlichen Länge des Elektronenstrahls zu minimieren, arbeitete das erste STEAM-Gerät im Kompressionsmodus. Die Elektronenstrahldauer am Linearbeschleuniger wurde auf ein Minimum von ~ 350 fs (Halbwertsbreite) optimiert, indem die dem Kompressor zugeführte Terahertz-Energie eingestellt und der Linearbeschleuniger in den Schraffurmodus (
4b ) geschaltet wurde.
Bild Nr. 4Die minimale Strahldauer wurde gemäß der Dauer des UV-Impulses der Fotokathode eingestellt, deren Dauer ~ 600 fs betrug. Der Abstand zwischen dem Kompressor und dem Band spielte ebenfalls eine wichtige Rolle, was die Stärke der Verdickung der Geschwindigkeit begrenzte. Zusammen ermöglichen diese Maßnahmen, die Femtosekundengenauigkeit der Einführungsphase in der Beschleunigungsphase sicherzustellen.
Abbildung
4a zeigt, dass die Energieverteilung eines komprimierten Elektronenstrahls nach optimierter Beschleunigung in einem Linearbeschleuniger im Vergleich zu unkomprimiertem um das ~ 4-fache abnimmt. Aufgrund der Beschleunigung verschiebt sich das Energiespektrum eines komprimierten Strahls im Gegensatz zu einem nicht komprimierten Strahl zu höheren Energien. Die Spitze des Energiespektrums nach der Beschleunigung beträgt etwa 115 keV, und der hochenergetische Schwanz erreicht etwa 125 keV.
Diese Indikatoren sind nach einer bescheidenen Aussage von Wissenschaftlern ein neuer Rekord für die Beschleunigung (bevor die Beschleunigung 70 keV betrug) im Terahertz-Bereich.
Um jedoch die Energieverteilung (
4a ) zu verringern, ist es notwendig, einen noch kürzeren Strahl zu erzielen.
Bild Nr. 5Im Fall eines nicht komprimierten eingeführten Strahls zeigt die parabolische Abhängigkeit der Strahlgröße vom Strom die Queremission in horizontaler und vertikaler Richtung: ε
x, n = 1,703 mm * mrad und ε
y, n = 1,491 mm * mrad (
5a ).
Die Kompression verbesserte wiederum die Queremission um das Sechsfache auf & epsi;
x, n = 0,285 mm
· mrad (horizontal) und & epsi;
y, n = 0,246 mm · mrad (vertikal).
Es ist zu beachten, dass der Grad der Abnahme der Emission ungefähr doppelt so groß ist wie der Grad der Abnahme der Strahldauer, was ein Maß für die Nichtlinearität der Dynamik der Wechselwirkung mit der Zeit ist, wenn die Elektronen während der Beschleunigung eine starke Fokussierung und Defokussierung des Magnetfelds erfahren (
5b und
5c ).
In Bild
5b ist zu sehen, dass die zum optimalen Zeitpunkt eingebrachten Elektronen die gesamte Halbperiode der Beschleunigung des elektrischen Feldes erfahren. Die Elektronen, die vor oder nach dem optimalen Zeitpunkt eintreffen, erfahren jedoch eine geringere Beschleunigung und sogar eine teilweise Verzögerung. Solche Elektronen erhalten dadurch grob gesagt weniger Energie.
Eine ähnliche Situation wird beobachtet, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Zum optimalen Zeitpunkt eingeführte Elektronen erfahren eine symmetrische Menge positiver und negativer Magnetfelder. Wenn die Einführung von Elektronen früher als zum optimalen Zeitpunkt erfolgte, gab es mehr positive und weniger negative Felder. Bei der Einführung von Elektronen später als zum optimalen Zeitpunkt gibt es weniger positive und mehr negative (
5s ). Und solche Abweichungen führen dazu, dass das Elektron je nach Position relativ zur Achse nach links, rechts, oben oder unten abweichen kann, was zu einer Erhöhung des Transversalimpulses führt, der der Fokussierung oder Defokussierung des Strahls entspricht.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den
Bericht von Wissenschaftlern und
zusätzliche Materialien zu lesen.
Nachwort
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Beschleunigerleistung bei einer Verringerung der Dauer des Elektronenstrahls zunimmt. In dieser Arbeit wurde die erreichbare Strahldauer durch die Installationsgeometrie begrenzt. Theoretisch kann die Strahldauer jedoch weniger als 100 fs erreichen.
Wissenschaftler stellen außerdem fest, dass die Qualität des Strahls weiter verbessert werden kann, indem die Höhe der Schichten verringert und ihre Anzahl erhöht wird. Dieses Verfahren ist jedoch nicht unproblematisch, insbesondere erhöht es die Komplexität der Herstellung der Vorrichtung.
Diese Arbeit ist das Anfangsstadium einer umfassenderen und detaillierteren Untersuchung einer Miniaturversion eines Linearbeschleunigers. Trotz der Tatsache, dass die getestete Version bereits hervorragende Ergebnisse zeigt, was zu Recht als Rekord bezeichnet werden kann, gibt es noch viel Arbeit.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)
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