Le principe familier du «plus est plus puissant» est établi depuis longtemps dans de nombreux secteurs de la société, y compris la science et la technologie. Cependant, dans les réalités modernes, la mise en œuvre pratique du dicton «petit, mais intelligent». Cela se manifeste à la fois dans les ordinateurs qui occupaient auparavant toute la pièce, et sont maintenant placés dans la paume d'un enfant, et dans les accélérateurs de particules chargés. Oui, oui, vous souvenez-vous du Grand collisionneur de hadrons (LHC), dont les dimensions impressionnantes (26 659 m de long) sont littéralement indiquées dans son nom? Donc, c'est déjà dans le passé, selon les scientifiques de DESY qui ont développé une version miniature de l'accélérateur, qui en termes de performances n'est pas inférieure à son prédécesseur en taille réelle. De plus, le mini accélérateur a même établi un nouveau record du monde parmi les accélérateurs térahertz, doublant l'énergie des électrons intégrés. Comment l'accélérateur miniature a-t-il été développé, quels sont les principes de base de son fonctionnement et que montrent les expériences pratiques? Cela nous aidera à apprendre le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Base d'étude
Selon Dongfang Zhang et ses collègues de DESY (German Electronic Synchrotron), qui ont développé le mini-accélérateur, les sources d'électrons ultra-rapides jouent un rôle incroyablement important dans la vie de la société moderne. Beaucoup d'entre eux se manifestent dans la médecine, le développement de l'électronique et la recherche scientifique. Le plus gros problème des accélérateurs linéaires actuels utilisant des générateurs de radiofréquences est leur coût élevé, leur complexité d'infrastructure et leur appétit impressionnant de consommation d'énergie. Et ces lacunes limitent considérablement la disponibilité de ces technologies pour un plus large éventail d'utilisateurs.
Ces problèmes évidents sont une grande incitation à développer des appareils dont les tailles ne provoqueront pas l'horreur, ainsi que le degré de consommation d'énergie.
Parmi les innovations relatives dans cette industrie, on peut distinguer les accélérateurs térahertz, qui ont un certain nombre de "goodies":
- il est prévu que les ondes courtes et les impulsions courtes de rayonnement térahertz augmenteront considérablement le seuil de claquage * provoqué par le champ, ce qui augmentera les gradients d'accélération;
Panne électrique * - une forte augmentation du courant lorsqu'une tension est appliquée au-dessus de la critique.
- la présence de méthodes efficaces pour générer un rayonnement térahertz à champ élevé permet une synchronisation interne entre les électrons et les champs d'excitation;
- des méthodes classiques peuvent être utilisées pour créer de tels dispositifs, mais leur coût, leur temps de production et leur taille seront considérablement réduits.
Les scientifiques pensent que leur accélérateur térahertz à l'échelle millimétrique est un compromis entre les accélérateurs classiques, qui sont maintenant disponibles, et les micro-accélérateurs, qui sont en cours de développement, mais présentent de nombreuses lacunes en raison de leurs très petites dimensions.
Les chercheurs ne nient pas que la technologie d'accélération térahertz est en cours de développement depuis un certain temps. Cependant, à leur avis, il y a encore beaucoup d'aspects dans ce domaine qui n'ont pas été étudiés, vérifiés ou mis en œuvre.
Dans leurs travaux, que nous examinons aujourd'hui, les scientifiques démontrent les capacités de STEAM (
accélérateur et manipulateur d' électrons térahertz segmenté) - un accélérateur et manipulateur d'électrons térahertz segmenté. STEAM réduit les longueurs des faisceaux d'électrons à des durées sous-picosecondes, fournissant ainsi un contrôle femtoseconde sur la phase d'accélération.
Il a été possible d'atteindre un champ d'accélération de 200 MV / m (MV - mégavolt), ce qui conduit à une accélération térahertz record de> 70 keV (kiloélectron-volts) à partir d'un faisceau d'électrons introduit avec une énergie de 55 keV. Ainsi, des électrons accélérés jusqu'à 125 keV ont été obtenus.
La structure de l'appareil et sa mise en œuvre
Image n ° 1: schéma du dispositif étudié.
Image n ° 1-2: a - diagramme de la structure segmentée à 5 couches développée, b - rapport entre l'accélération calculée et la direction de propagation des électrons.Des faisceaux d'électrons (55 keV) sont générés à partir du
canon à électrons * et intégrés dans le bunker térahertz STEAM (compresseur de faisceau), puis transférés vers le STEAM-linac (
accélérateur linéaire * ).
Canon à électrons * - un appareil pour générer un faisceau d'électrons de la configuration et de l'énergie nécessaires.
Accélérateur linéaire * - un accélérateur dans lequel les particules chargées ne traversent la structure qu'une seule fois, ce qui distingue un accélérateur linéaire d'un accélérateur cyclique (par exemple, le LHC).
Les deux appareils STEAM reçoivent des impulsions térahertz d'un seul laser proche infrarouge (NIR), ce qui déclenche également la photocathode du canon à électrons, ce qui entraîne une synchronisation interne entre les électrons et les champs accélérateurs. Des impulsions ultraviolettes pour la photoémission à la photocathode sont générées à travers deux étapes successives de
SHG * de la longueur d'onde principale de la lumière infrarouge proche. Ce processus convertit une impulsion laser d'une longueur d'onde de 1020 nm, d'abord à 510 nm, puis à 255 nm.
SHG * (deuxième génération d'harmoniques optiques) est le processus de combinaison de photons avec la même fréquence lors de l'interaction avec un matériau non linéaire, ce qui conduit à la formation de nouveaux photons avec une énergie et une fréquence doublées, ainsi que la moitié de la longueur d'onde.
Le reste du faisceau laser NIR est divisé en 4 faisceaux, qui sont utilisés pour générer quatre impulsions térahertz à cycle unique en générant une différence dans les fréquences en impulsion.
Deux impulsions térahertz pénètrent ensuite dans chaque appareil STEAM à travers des structures de cornes symétriques qui dirigent l'énergie térahertz dans la région d'interaction à travers la direction de propagation des électrons.
Lorsque les électrons pénètrent dans chacun des appareils STEAM, ils sont exposés aux composants électriques et magnétiques de
la force de Lorentz * .
Force de Lorentz * - la force avec laquelle un champ électromagnétique agit sur une particule chargée.
Dans ce cas, le champ électrique est responsable de l'accélération et de la décélération, et le champ magnétique provoque des déviations latérales.
Image n ° 2Comme nous le voyons dans les images
2a et
2b , à l'intérieur de chaque appareil STEAM, les faisceaux térahertz sont répartis sur de fines feuilles de métal en plusieurs couches d'épaisseurs différentes, chacune agissant comme un guide d'ondes qui transfère une partie de l'énergie totale vers la région d'interaction. De plus, des plaques diélectriques sont présentes dans chaque couche pour faire correspondre l'heure d'arrivée du
front d'onde térahertz
* avec le front d'électrons.
Le front d'onde * est la surface à laquelle l'onde a atteint.
Les deux appareils STEAM fonctionnent en mode électrique, c'est-à-dire de manière à superposer un champ électrique et à supprimer un champ magnétique au centre de la zone d'interaction.
Dans le premier dispositif, les électrons sont chronométrés de manière à traverser
le passage par
zéro * du champ térahertz, où les gradients temporels du champ électrique sont maximisés et le champ moyen est minimisé.
Le passage par zéro * est le point où il n'y a pas de tension.
Une telle configuration provoque une accélération de la queue du faisceau d'électrons et une décélération de sa tête, ce qui conduit à une focalisation longitudinale balistique (
2a et
2c ).
Dans le second dispositif, la synchronisation du rayonnement électronique et térahertz est réglée de sorte que le faisceau d'électrons ne subisse qu'un cycle négatif du champ électrique térahertz. Cette configuration conduit à une accélération continue pure (
2b et
2d ).
Un laser avec un rayonnement NIR ressemble à un système Yb: YLF refroidi cryogéniquement, qui émet des impulsions optiques d'une durée de 1,2 ps et d'une énergie de 50 mJ à une longueur d'onde de 1020 nm et un taux de répétition de 10 Hz. Et des impulsions térahertz avec une fréquence centrale de 0,29 térahertz (période de 3,44 ps) sont générées par le front en pente de l'impulsion.
Seulement 2 x 50 nJ d'énergie térahertz ont été utilisés pour alimenter le bunker STEAM (compresseur à faisceau), tandis que 2 x 15 mJ étaient nécessaires pour le STEAM-linac (accélérateur linéaire).
Le diamètre de l'entrée et de la sortie des deux appareils STEAM est de 120 microns.
Le compresseur de faisceau est conçu avec trois couches de la même hauteur (0,225 mm), qui sont équipées de plaques de silice fondue (ϵ
r = 4,41) de 0,42 et 0,84 mm de long pour contrôler la synchronisation de l'heure. Les hauteurs égales des couches de compresseur reflètent le fait qu'aucune accélération ne se produit (
2 s ).
Mais dans un accélérateur linéaire, les hauteurs diffèrent déjà - 0,225, 0,225 et 0,250 mm (+ plaques de silice fondue 0,42 et 0,84 mm). Une augmentation de la hauteur de couche explique l'augmentation de la vitesse des électrons lors de l'accélération.
Les scientifiques notent que le nombre de couches est directement responsable de la fonctionnalité de chacun des deux appareils. Pour atteindre un degré d'accélération plus élevé, par exemple, davantage de couches et une configuration de hauteur différente sont nécessaires pour optimiser l'interaction.
Les résultats d'expériences pratiques
Tout d'abord, les chercheurs rappellent que dans les accélérateurs traditionnels basés sur les radiofréquences, l'influence de l'étendue temporelle d'un faisceau d'électrons embarqué sur les propriétés d'un faisceau accéléré est associée à un changement du champ électrique ressenti lors de l'interaction de divers électrons à l'intérieur du faisceau arrivant à des moments différents. Ainsi, on peut supposer que les champs à fort gradient et les faisceaux de plus longue durée entraîneront une plus grande diffusion des énergies. Les faisceaux de longue durée introduits peuvent également conduire à des
émittances plus élevées
* .
Emittans * - espace de phase qui occupe un faisceau accéléré de particules chargées.
Dans le cas d'un accélérateur térahertz, la période du champ d'excitation est environ 200 fois plus courte. Par conséquent, la
force * du champ supporté sera 10 fois plus élevée.
L'intensité du champ électrique * est un indicateur du champ électrique égal au rapport entre la force appliquée à une charge à point fixe placée à un point donné du champ et l'ampleur de cette charge.
Ainsi, dans un accélérateur térahertz, les gradients de champ subis par les électrons peuvent être de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux d'un appareil conventionnel. L'échelle de temps à laquelle la courbure du champ est perceptible sera beaucoup plus petite. Il en résulte que la durée du faisceau d'électrons introduit aura un effet plus prononcé.
Les scientifiques en pratique ont décidé de tester la théorie. Pour ce faire, ils ont introduit des faisceaux d'électrons de différentes durées, contrôlés par compression grâce au premier appareil STEAM (STEAM-buncher).
Image n ° 3Dans le cas où le compresseur n'était pas connecté à une source d'alimentation, des faisceaux d'électrons (55 keV) avec une charge de f1 fC (femtocoulon) sont passés d'environ 300 mm du canon à électrons à l'accélérateur linéaire (STEAM-linac). Ces électrons pourraient se développer sous l'influence des forces de charge d'espace jusqu'à une durée de plus de 1000 fs (femtosecondes).
Avec une telle durée, le faisceau d'électrons occupait environ 60% de la demi-onde du champ accélérateur avec une fréquence de 1,7 ps, ce qui conduisait au spectre énergétique après accélération avec un pic de 115 keV et une demi-largeur de la distribution d'énergie de plus de 60 keV (
3a ).
Pour comparer ces résultats avec ceux attendus, la situation de propagation des électrons à travers un accélérateur linéaire a été simulée lorsque les électrons n'étaient pas synchronisés (c'est-à-dire ne coïncidaient pas) par rapport au temps d'introduction optimal. Les calculs de cette situation ont montré que l'augmentation de l'énergie électronique dépend beaucoup du moment de l'introduction jusqu'à l'échelle de temps subpicoseconde (
3b ). Autrement dit, avec un réglage optimal, l'électron connaîtra un demi-cycle complet d'accélération du rayonnement térahertz dans chaque couche (
3c ).
Si les électrons arrivent à des moments différents, ils subissent moins d'accélération dans la première couche, ce qui nécessite plus de temps pour leur passage. Ensuite, la désynchronisation est améliorée dans les couches suivantes, à partir desquelles il y a une décélération indésirable (
3d ).
Afin de minimiser l'effet négatif de la longueur temporelle du faisceau d'électrons, le premier appareil STEAM a fonctionné en mode compression. La durée du faisceau d'électrons à l'accélérateur linéaire a été optimisée à un minimum de ~ 350 fs (demi-largeur) en ajustant l'énergie térahertz fournie au compresseur et en commutant l'accélérateur linéaire sur le mode d'éclosion (
4b ).
Image n ° 4La durée minimale du faisceau a été fixée en fonction de la durée de l'impulsion UV de la photocathode, dont la durée était de ~ 600 fs. La distance entre le compresseur et la bande a également joué un rôle important, ce qui a limité la force de l'épaississement en vitesse. Ensemble, ces mesures permettent d'assurer la précision femtoseconde de la phase d'introduction au stade d'accélération.
La figure
4a montre que la propagation d'énergie d'un faisceau d'électrons compressés après une accélération optimisée dans un accélérateur linéaire diminue de ~ 4 fois par rapport à non compressé. En raison de l'accélération, le spectre d'énergie d'un faisceau comprimé se déplace vers des énergies plus élevées, contrairement à un faisceau non compressé. Le pic du spectre d'énergie après l'accélération est d'environ 115 keV, et la queue à haute énergie atteint environ 125 keV.
Ces indicateurs, selon une déclaration modeste des scientifiques, constituent un nouveau record d'accélération (avant une accélération de 70 keV) dans la gamme térahertz.
Mais, afin de réduire la diffusion d'énergie (
4a ), il est nécessaire de réaliser un faisceau encore plus court.
Image n ° 5Dans le cas d'un faisceau introduit non compressé, la dépendance parabolique de la taille du faisceau sur le courant révèle l'émittance transversale dans les directions horizontale et verticale: ε
x, n = 1,703 mm * mrad et ε
y, n = 1,491 mm * mrad (
5a ).
La compression, à son tour, a amélioré l'émittance transversale d'un facteur 6 à ε
x, n = 0,285 mm * mrad (horizontal) et ε
y, n = 0,246 mm * mrad (vertical).
Il convient de noter que le degré de diminution de l'émittance est environ deux fois supérieur au degré de réduction de la durée du faisceau, qui est une mesure de la non-linéarité de la dynamique d'interaction avec le temps, lorsque les électrons subissent une forte focalisation et défocalisation du champ magnétique pendant l'accélération (
5b et
5c ).
On voit sur l'image
5b que les électrons introduits au moment optimal subissent toute la demi-période de l'accélération du champ électrique. Mais les électrons qui arrivent avant ou après le moment optimal connaissent moins d'accélération et même une décélération partielle. Ces électrons reçoivent en conséquence moins d'énergie, en gros.
Une situation similaire est observée lorsqu'elle est exposée à un champ magnétique. Les électrons introduits au moment optimal subissent une quantité symétrique de champs magnétiques positifs et négatifs. Si l'introduction d'électrons a eu lieu plus tôt que le moment optimal, alors il y avait plus de champs positifs et moins de champs négatifs. Dans le cas de l'introduction d'électrons plus tard que le moment optimal, il y en a moins positifs et plus négatifs (
5s ). Et de telles déviations conduisent au fait que l'électron peut dévier vers la gauche, la droite, le haut ou le bas en fonction de la position par rapport à l'axe, ce qui conduit à une augmentation de l'impulsion transversale correspondant à la focalisation ou à la défocalisation du faisceau.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le
rapport des scientifiques et
les documents supplémentaires qui s'y rapportent.
Épilogue
En résumé, les performances de l'accélérateur augmenteront en cas de diminution de la durée du faisceau d'électrons. Dans ce travail, la durée de faisceau réalisable a été limitée par la géométrie de l'installation. Mais, en théorie, la durée du faisceau peut atteindre moins de 100 fs.
Les scientifiques notent également que la qualité du faisceau peut être encore améliorée en réduisant la hauteur des couches et en augmentant leur nombre. Cependant, cette méthode n'est pas sans poser de problèmes, en particulier, augmentant la complexité de la production du dispositif.
Ce travail est la première étape d'une étude plus approfondie et détaillée d'une version miniature d'un accélérateur linéaire. Malgré le fait que la version testée montre déjà d'excellents résultats, que l'on peut à juste titre appeler record, il reste encore beaucoup de travail.
Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)
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