Prinsip akrab "lebih adalah lebih kuat" telah lama didirikan di banyak sektor masyarakat, termasuk ilmu pengetahuan dan teknologi. Namun, dalam realitas modern, implementasi praktis dari pepatah "kecil, tapi pintar." Ini dimanifestasikan baik di komputer yang sebelumnya menempati seluruh ruangan, dan sekarang ditempatkan di telapak tangan seorang anak, dan di akselerator partikel bermuatan. Ya, ya, apakah Anda ingat Large Hadron Collider (LHC), yang dimensinya yang mengesankan (panjang 26.659 m) secara harfiah ditunjukkan namanya? Jadi, ini sudah ada di masa lalu, menurut ilmuwan DESY yang mengembangkan versi mini dari akselerator, yang dalam hal kinerja tidak kalah dengan pendahulunya yang berukuran penuh. Selain itu, akselerator mini bahkan menetapkan rekor dunia baru di antara akselerator terahertz, menggandakan energi elektron yang tertanam. Bagaimana akselerator miniatur dikembangkan, apa prinsip-prinsip dasar operasinya, dan apa yang ditunjukkan eksperimen praktis? Ini akan membantu kita mempelajari laporan kelompok riset. Ayo pergi.
Dasar studi
Menurut Dongfang Zhang dan rekan-rekannya dari DESY (German Electronic Synchrotron), yang mengembangkan akselerator mini, sumber elektron ultra cepat memainkan peran yang sangat penting dalam kehidupan masyarakat modern. Banyak dari mereka terwujud dalam kedokteran, pengembangan elektronik dan dalam penelitian ilmiah. Masalah terbesar akselerator linier saat ini menggunakan generator frekuensi radio adalah biaya tinggi, kompleksitas infrastruktur dan selera yang mengesankan untuk konsumsi daya. Dan kekurangan tersebut sangat membatasi ketersediaan teknologi tersebut untuk rentang pengguna yang lebih luas.
Masalah yang jelas ini merupakan insentif besar untuk mengembangkan perangkat yang ukurannya tidak akan menyebabkan kengerian, serta tingkat konsumsi daya.
Di antara inovasi relatif dalam industri ini, kita dapat membedakan akselerator terahertz, yang memiliki sejumlah "barang":
- diharapkan gelombang pendek dan pulsa pendek dari radiasi terahertz akan secara signifikan meningkatkan ambang kerusakan * yang disebabkan oleh lapangan, yang akan meningkatkan gradien percepatan;
Kerusakan listrik * - peningkatan tajam dalam arus ketika tegangan diterapkan di atas kritis.
- adanya metode yang efektif untuk menghasilkan radiasi terahertz medan tinggi memungkinkan sinkronisasi internal antara elektron dan medan eksitasi;
- metode klasik dapat digunakan untuk membuat perangkat seperti itu, tetapi biaya, waktu produksi dan ukurannya akan sangat berkurang.
Para ilmuwan percaya bahwa akselerator terahertz mereka pada skala milimeter adalah kompromi antara akselerator konvensional, yang sekarang tersedia, dan akselerator mikro, yang sedang dikembangkan, tetapi memiliki banyak kekurangan karena dimensinya yang sangat kecil.
Para peneliti tidak menyangkal bahwa teknologi akselerasi terahertz telah dikembangkan selama beberapa waktu. Namun, menurut mereka, masih ada banyak aspek di bidang ini yang belum dipelajari, diverifikasi atau diimplementasikan.
Dalam karya mereka, yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan menunjukkan kemampuan STEAM (
akselerator dan manipulator elektron terahertz tersegmentasi) - akselerator dan manipulator terahertz elektron tersegmentasi. STEAM mengurangi panjang berkas elektron hingga durasi subpiksel, sehingga memberikan kontrol femtosekon pada fase akselerasi.
Itu mungkin untuk mencapai bidang percepatan 200 MV / m (MV - megavolt), yang mengarah ke percepatan terahertz rekor> 70 keV (kiloelektron-volt) dari berkas elektron yang diperkenalkan dengan energi 55 keV. Dengan demikian, elektron dipercepat hingga 125 keV diperoleh.
Struktur perangkat dan implementasinya
Gambar No. 1: diagram perangkat yang diselidiki.
Gambar No. 1-2: a - diagram struktur tersegmentasi 5-lapisan yang dikembangkan, b - rasio percepatan yang dihitung dan arah propagasi elektron.Berkas elektron (55 keV) dihasilkan dari
pistol elektron * dan tertanam di dalam pengumpul STEAM terahertz (kompresor balok), dan kemudian ditransfer ke STEAM-linac (
akselerator linier * ).
Senjata elektron * - perangkat untuk menghasilkan berkas elektron dari konfigurasi dan energi yang diperlukan.
Akselerator linear * - akselerator di mana partikel bermuatan melewati struktur hanya 1 kali, yang membedakan akselerator linier dari yang siklik (misalnya, LHC).
Kedua perangkat STEAM menerima pulsa terahertz dari laser inframerah-dekat tunggal (NIR), yang juga memicu fotokodeode dari senapan elektron, yang menghasilkan sinkronisasi internal antara elektron dan medan percepatan. Pulsa ultraviolet untuk fotoemisi di photocathode dihasilkan melalui dua tahap berturut-turut
SHG * dari panjang gelombang utama cahaya inframerah dekat. Proses ini mengubah pulsa laser dengan panjang gelombang 1020 nm, pertama pada 510 nm, dan kemudian pada 255 nm.
SHG * (generasi harmonik optik kedua) adalah proses menggabungkan foton dengan frekuensi yang sama selama interaksi dengan bahan non-linear, yang mengarah pada pembentukan foton baru dengan energi dan frekuensi berlipat ganda, serta setengah panjang gelombang.
Sisa dari sinar laser NIR dibagi menjadi 4 balok, yang digunakan untuk menghasilkan empat pulsa terahertz satu siklus dengan menghasilkan perbedaan dalam frekuensi pulsa-in.
Dua pulsa terahertz kemudian memasuki setiap perangkat STEAM melalui struktur tanduk simetris yang mengarahkan energi terahertz ke wilayah interaksi melintasi arah rambat elektron.
Ketika elektron memasuki masing-masing perangkat STEAM, mereka terpapar komponen listrik dan magnetik dari
gaya Lorentz * .
Gaya Lorentz * - gaya yang digunakan medan elektromagnetik pada partikel bermuatan.
Dalam hal ini, medan listrik bertanggung jawab untuk akselerasi dan deselerasi, dan medan magnet menyebabkan penyimpangan lateral.
Gambar No. 2Seperti yang kita lihat pada gambar
2a dan
2b , di dalam masing-masing perangkat STEAM, balok terahertz dibagi menjadi lembaran logam tipis menjadi beberapa lapisan dengan ketebalan yang berbeda, masing-masing bertindak sebagai pemandu gelombang yang memindahkan sebagian energi total ke wilayah interaksi. Juga, pelat dielektrik hadir di setiap lapisan untuk mencocokkan waktu kedatangan bagian
depan gelombang terahertz
* dengan bagian depan elektron.
Muka gelombang * adalah permukaan tempat gelombang mencapai.
Kedua perangkat STEAM beroperasi dalam mode listrik, yaitu sedemikian rupa untuk melapiskan medan listrik dan menekan medan magnet di pusat wilayah interaksi.
Pada perangkat pertama, elektron diatur waktunya untuk melewati
nol penyilangan * bidang terahertz, di mana gradien temporal medan listrik dimaksimalkan dan bidang rata-rata diminimalkan.
Persimpangan nol * adalah titik di mana tidak ada tegangan.
Konfigurasi seperti itu menyebabkan percepatan ekor berkas elektron dan perlambatan kepalanya, yang mengarah ke fokus longitudinal balistik (
2a dan
2c ).
Pada perangkat kedua, sinkronisasi radiasi elektron dan terahertz diatur sehingga sinar elektron hanya mengalami siklus negatif medan listrik terahertz. Konfigurasi ini mengarah ke akselerasi terus menerus murni (
2b dan
2d ).
Sebuah laser dengan radiasi NIR menyerupai sistem Yb: YLF yang didinginkan secara kriogenik, yang memancarkan pulsa optik dengan durasi 1,2 ps dan energi 50 mJ pada panjang gelombang 1020 nm dan tingkat pengulangan 10 Hz. Dan pulsa terahertz dengan frekuensi pusat 0,29 terahertz (periode 3,44 ps) dihasilkan oleh kemiringan depan pulsa.
Hanya 2 x 50 nJ energi terahertz digunakan untuk memberi daya pada pengumpul STEAM (beam compressor), sementara 2 x 15 mJ diperlukan untuk STEAM-linac (linear accelerator).
Diameter inlet dan outlet karena kedua perangkat STEAM adalah 120 mikron.
Balok kompresor dirancang dengan tiga lapisan dengan ketinggian yang sama (0,225 mm), yang dilengkapi dengan pelat silika leburan (Ο΅
r = 4,41) 0,42 dan panjang 0,84 mm untuk mengontrol sinkronisasi waktu. Ketinggian yang sama dari lapisan kompresor mencerminkan fakta bahwa akselerasi tidak terjadi (
2s ).
Tetapi dalam akselerator linier, ketinggian sudah berbeda - 0,225, 0,225 dan 0,250 mm (+ pelat silika leburan 0,42 dan 0,84 mm). Peningkatan ketinggian lapisan menjelaskan peningkatan kecepatan elektron selama akselerasi.
Para ilmuwan mencatat bahwa jumlah lapisan bertanggung jawab langsung atas fungsionalitas masing-masing dari dua perangkat. Untuk mencapai tingkat akselerasi yang lebih tinggi, misalnya, diperlukan lebih banyak lapisan dan konfigurasi ketinggian yang berbeda untuk mengoptimalkan interaksi.
Hasil percobaan praktis
Pertama-tama, para peneliti ingat bahwa dalam akselerator berbasis frekuensi radio tradisional, pengaruh tingkat temporal dari berkas elektron yang tertanam pada sifat-sifat berkas yang dipercepat dikaitkan dengan perubahan dalam medan listrik yang dialami selama interaksi berbagai elektron di dalam balok yang tiba pada waktu yang berbeda. Dengan demikian, dapat diasumsikan bahwa bidang dengan gradien dan balok besar dengan durasi yang lebih lama akan menyebabkan penyebaran energi yang lebih besar. Balok durasi lama yang diperkenalkan juga dapat menghasilkan daya
pancar yang lebih tinggi
* .
Emittans * - ruang fase yang menempati berkas percepatan partikel bermuatan.
Dalam kasus akselerator terahertz, periode bidang eksitasi kira-kira 200 kali lebih pendek. Akibatnya,
kekuatan * bidang yang didukung akan 10 kali lebih tinggi.
Kekuatan medan listrik * adalah indikator medan listrik yang sama dengan rasio gaya yang diterapkan pada muatan titik tetap yang ditempatkan pada titik tertentu di medan terhadap besarnya muatan ini.
Dengan demikian, dalam akselerator terahertz, gradien medan yang dialami oleh elektron dapat beberapa kali lipat lebih tinggi dari pada perangkat konvensional. Skala waktu di mana kelengkungan bidang terlihat akan jauh lebih kecil. Maka dari ini bahwa durasi berkas elektron yang dimasukkan akan memiliki efek yang lebih nyata.
Ilmuwan dalam praktiknya memutuskan untuk menguji teorinya. Untuk melakukan ini, mereka memperkenalkan berkas elektron dengan durasi berbeda, yang dikendalikan oleh kompresi karena perangkat STEAM pertama (STEAM-buncher).
Gambar No. 3Dalam kasus ketika kompresor tidak terhubung ke sumber daya, berkas elektron (55 keV) dengan muatan f1 fC (femtocoulon) melewati sekitar 300 mm dari pistol elektron ke perangkat akselerator linier (STEAM-linac). Elektron-elektron ini dapat berkembang di bawah pengaruh gaya muatan luar angkasa hingga durasi lebih dari 1000 fs (femtoseconds).
Dengan durasi seperti itu, berkas elektron menempati sekitar 60% dari setengah-gelombang bidang percepatan dengan frekuensi 1,7 ps, yang mengarah ke spektrum energi setelah akselerasi dengan puncak 115 keV dan setengah lebar dari distribusi energi lebih dari 60 keV (
3a ).
Untuk membandingkan hasil ini dengan yang diharapkan, situasi propagasi elektron melalui akselerator linier disimulasikan ketika elektron tidak sinkron (yaitu tidak sesuai dengan) sehubungan dengan waktu pengenalan yang optimal. Perhitungan situasi ini menunjukkan bahwa peningkatan energi elektron sangat tergantung pada saat pengenalan hingga skala waktu subpiksel (
3b ). Artinya, dengan penyetelan optimal, elektron akan mengalami setengah siklus penuh percepatan radiasi terahertz di setiap lapisan (
3c ).
Jika elektron tiba pada waktu yang berbeda, maka mereka mengalami sedikit akselerasi pada lapisan pertama, yang membutuhkan lebih banyak waktu untuk perjalanannya. Kemudian desinkronisasi ditingkatkan di lapisan berikut, dari mana ada deselerasi yang tidak diinginkan (
3d ).
Untuk meminimalkan efek negatif dari panjang temporal berkas elektron, perangkat STEAM pertama bekerja dalam mode kompresi. Durasi berkas elektron pada akselerator linier dioptimalkan hingga minimum ~ 350 fs (setengah lebar) dengan menyesuaikan energi terahertz yang dipasok ke kompresor dan mengganti akselerator linier ke mode tetas (
4b ).
Gambar No. 4Durasi sinar minimum ditetapkan sesuai dengan durasi pulsa UV dari fotocathode, durasi yang ~ 600 fs. Jarak antara kompresor dan strip juga memainkan peran penting, yang membatasi kekuatan penebalan dalam kecepatan. Bersama-sama, langkah-langkah ini memungkinkan untuk memastikan keakuratan femtosecond dari fase pengenalan pada tahap percepatan.
Gambar
4a menunjukkan bahwa penyebaran energi dari berkas elektron terkompresi setelah percepatan optimal dalam akselerator linier berkurang ~ 4 kali dibandingkan dengan yang tidak terkompresi. Karena percepatan, spektrum energi dari balok terkompresi bergeser ke energi yang lebih tinggi, berbeda dengan balok yang tidak terkompresi. Puncak spektrum energi setelah akselerasi adalah sekitar 115 keV, dan ekor berenergi tinggi mencapai sekitar 125 keV.
Indikator-indikator ini, menurut pernyataan sederhana oleh para ilmuwan, adalah catatan baru akselerasi (sebelum akselerasi adalah 70 keV) dalam kisaran terahertz.
Tetapi, untuk mengurangi penyebaran energi (
4a ), perlu untuk mencapai sinar yang lebih pendek.
Gambar No. 5Dalam kasus balok yang dimasukkan tidak terkompresi, ketergantungan parabola dari ukuran balok pada arus mengungkapkan pancaran transversal dalam arah horisontal dan vertikal: Ξ΅
x, n = 1,703 mm * mrad dan Ξ΅
y, n = 1,491 mm * mrad (
5a ).
Kompresi, pada gilirannya, meningkatkan daya transversal dengan faktor 6 hingga Ξ΅
x, n = 0,285 mm * mrad (horisontal) dan Ξ΅
y, n = 0,246 mm * mrad (vertikal).
Perlu dicatat bahwa tingkat penurunan pancaran kira-kira dua kali lebih besar dari tingkat pengurangan durasi balok, yang merupakan ukuran dari nonlinier dari dinamika interaksi dengan waktu, ketika elektron mengalami fokus yang kuat dan defocusing medan magnet selama akselerasi (
5b dan
5c ).
Hal ini dapat dilihat pada gambar
5b bahwa elektron yang diperkenalkan pada waktu yang optimal mengalami seluruh setengah periode percepatan medan listrik. Tetapi elektron yang tiba sebelum atau sesudah titik waktu optimal mengalami akselerasi yang lebih sedikit dan bahkan perlambatan parsial. Elektron seperti itu akibatnya menerima lebih sedikit energi, secara kasar.
Situasi serupa diamati ketika terkena medan magnet. Elektron yang diperkenalkan pada waktu optimal mengalami jumlah simetris medan magnet positif dan negatif. Jika pengenalan elektron terjadi lebih awal dari waktu optimal, maka ada lebih banyak bidang positif dan lebih sedikit bidang negatif. Dalam hal pengenalan elektron lebih lambat dari waktu optimal, ada lebih sedikit yang positif dan lebih negatif (
5s ). Dan penyimpangan seperti itu mengarah pada fakta bahwa elektron dapat menyimpang ke kiri, kanan, atas atau bawah tergantung pada posisi relatif terhadap sumbu, yang mengarah pada peningkatan momentum transversal sesuai dengan fokus atau defokus balok.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat
laporan para ilmuwan dan
bahan tambahan untuk itu.
Epilog
Ringkasnya, kinerja akselerator akan meningkat jika terjadi penurunan durasi berkas elektron. Dalam pekerjaan ini, durasi sinar yang dapat dicapai dibatasi oleh geometri pemasangan. Tapi, secara teori, durasi sinar bisa mencapai kurang dari 100 fs.
Para ilmuwan juga mencatat bahwa kualitas balok dapat lebih ditingkatkan dengan mengurangi ketinggian lapisan dan menambah jumlahnya. Namun, metode ini bukannya tanpa masalah, khususnya, meningkatkan kompleksitas produksi perangkat.
Karya ini adalah tahap awal dari studi yang lebih luas dan terperinci tentang versi miniatur akselerator linier. Terlepas dari kenyataan bahwa versi yang diuji sudah menunjukkan hasil yang sangat baik, yang bisa disebut sebagai rekaman, masih ada banyak pekerjaan.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran, dan selamat bekerja, kawan! :)
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?