O princípio familiar de "mais é mais poderoso" já foi estabelecido em muitos setores da sociedade, incluindo ciência e tecnologia. No entanto, nas realidades modernas, a implementação prática do ditado "pequeno, mas inteligente". Isso se manifesta tanto em computadores que anteriormente ocupavam toda a sala, e agora são colocados na palma da criança e em aceleradores de partículas carregados. Sim, sim, você se lembra do Large Hadron Collider (LHC), cujas dimensões impressionantes (26.659 m de comprimento) estão literalmente indicadas em seu nome? Portanto, isso já está no passado, de acordo com os cientistas da DESY que desenvolveram uma versão em miniatura do acelerador, que em termos de desempenho não é inferior ao seu antecessor em tamanho real. Além disso, o mini acelerador estabeleceu um novo recorde mundial entre os aceleradores terahertz, dobrando a energia dos elétrons incorporados. Como o acelerador miniatura foi desenvolvido, quais são os princípios básicos de sua operação e o que os experimentos práticos mostraram? Isso nos ajudará a aprender o relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudo
Segundo Dongfang Zhang e seus colegas do DESY (alemão Electronic Synchrotron), que desenvolveram o mini-acelerador, as fontes de elétrons ultra-rápidas desempenham um papel incrivelmente importante na vida da sociedade moderna. Muitos deles se manifestam na medicina, no desenvolvimento da eletrônica e na pesquisa científica. O maior problema dos atuais aceleradores lineares que usam geradores de radiofrequência é o alto custo, a complexidade da infraestrutura e o impressionante apetite pelo consumo de energia. E essas deficiências limitam bastante a disponibilidade de tais tecnologias para uma ampla gama de usuários.
Esses problemas óbvios são um grande incentivo para o desenvolvimento de dispositivos cujos tamanhos não causem horror, bem como o grau de consumo de energia.
Entre as inovações relativas nesse setor, podemos distinguir aceleradores terahertz, que possuem vários "itens":
- espera-se que ondas curtas e pulsos curtos de radiação terahertz aumentem significativamente o limiar de quebra * causado pelo campo, o que aumentará os gradientes de aceleração;
Avaria elétrica * - um aumento acentuado da corrente quando uma tensão é aplicada acima da crítica.
- a presença de métodos eficazes para gerar radiação de terahertz de alto campo permite a sincronização interna entre elétrons e campos de excitação;
- métodos clássicos podem ser usados para criar esses dispositivos, mas seu custo, tempo e tamanho de produção serão bastante reduzidos.
Os cientistas acreditam que seu acelerador de terahertz em escala milimétrica é um compromisso entre aceleradores convencionais, que agora estão disponíveis, e micro-aceleradores, que estão sendo desenvolvidos, mas têm muitas deficiências devido às suas dimensões muito pequenas.
Os pesquisadores não negam que a tecnologia de aceleração terahertz esteja em desenvolvimento há algum tempo. No entanto, na opinião deles, ainda existem muitos aspectos nessa área que não foram estudados, verificados ou implementados.
Em seu trabalho, que estamos considerando hoje, os cientistas demonstram as capacidades do STEAM (
acelerador e manipulador de elétrons terahertz segmentados) - um acelerador e manipulador de elétrons terahertz segmentado. O STEAM reduz os comprimentos do feixe de elétrons para durações de subpicosegundos, fornecendo, assim, controle de femtossegundos na fase de aceleração.
Foi possível obter um campo de aceleração de 200 MV / m (MV - megavolt), o que leva a uma aceleração recorde em terahertz> 70 keV (quiloelétron-volts) de um feixe de elétrons introduzido com uma energia de 55 keV. Assim, elétrons acelerados até 125 keV foram obtidos.
A estrutura do dispositivo e sua implementação
Imagem nº 1: diagrama do dispositivo investigado.
Imagem No. 1-2: a - diagrama da estrutura segmentada de 5 camadas desenvolvida, b - a razão da aceleração calculada e a direção da propagação de elétrons.Feixes de elétrons (55 keV) são gerados a partir da
pistola de elétrons * e incorporados no terahertz STEAM-buncher (compressor de feixe) e depois transferidos para o STEAM-linac (
acelerador linear * ).
Pistola de elétrons * - um dispositivo para gerar um feixe de elétrons da configuração e energia necessárias.
Acelerador linear * - um acelerador no qual as partículas carregadas passam na estrutura apenas 1 vez, o que distingue um acelerador linear de um cíclico (por exemplo, LHC).
Ambos os dispositivos STEAM recebem pulsos terahertz de um único laser de infravermelho próximo (NIR), que também aciona o fotocatodo da pistola de elétrons, resultando em sincronização interna entre elétrons e campos acelerados. Pulsos ultravioleta para fotoemissão no fotocatodo são gerados através de dois estágios sucessivos de
SHG * do comprimento de onda principal da luz infravermelha próxima. Esse processo converte um pulso de laser com um comprimento de onda de 1020 nm, primeiro a 510 nm e depois a 255 nm.
SHG * (segunda geração harmônica óptica) é o processo de combinar fótons com a mesma frequência durante a interação com material não linear, o que leva à formação de novos fótons com energia e frequência dobradas, bem como metade do comprimento de onda.
O restante do feixe de laser NIR é dividido em 4 feixes, que são usados para gerar quatro pulsos de terahertz de ciclo único, gerando uma diferença nas frequências de pulso.
Dois pulsos de terahertz entram em cada dispositivo STEAM através de estruturas simétricas de cornetas que direcionam a energia de terahertz para a região de interação na direção de propagação de elétrons.
Quando os elétrons entram em cada um dos dispositivos STEAM, eles são expostos aos componentes elétricos e magnéticos da
força de Lorentz * .
Força de Lorentz * - a força com a qual um campo eletromagnético atua sobre uma partícula carregada.
Nesse caso, o campo elétrico é responsável pela aceleração e desaceleração, e o campo magnético causa desvios laterais.
Imagem No. 2Como vemos nas imagens
2a e
2b , dentro de cada dispositivo STEAM, os feixes de terahertz são divididos em finas chapas de metal em várias camadas de diferentes espessuras, cada uma das quais atua como um guia de ondas que transfere parte da energia total para a região de interação. Além disso, placas dielétricas estão presentes em cada camada para coincidir com o tempo de chegada da
frente da onda terahertz
* com a frente do elétron.
A frente de onda * é a superfície à qual a onda atingiu.
Ambos os dispositivos STEAM operam no modo elétrico, ou seja, de maneira a sobrepor um campo elétrico e suprimir um campo magnético no centro da região de interação.
No primeiro dispositivo, os elétrons são cronometrados de forma a passar pelo
cruzamento zero * do campo terahertz, onde os gradientes temporais do campo elétrico são maximizados e o campo médio é minimizado.
O cruzamento de zero * é o ponto em que não há tensão.
Essa configuração causa uma aceleração da cauda do feixe de elétrons e uma desaceleração de sua cabeça, o que leva ao foco longitudinal balístico (
2a e
2c ).
No segundo dispositivo, a sincronização da radiação de elétrons e terahertz é definida para que o feixe de elétrons experimente apenas um ciclo negativo do campo elétrico terahertz. Essa configuração leva à aceleração contínua pura (
2b e
2d ).
Um laser com radiação NIR se assemelha a um sistema Yb: YLF resfriado criogênicamente, que emite pulsos ópticos com duração de 1,2 ps e energia de 50 mJ no comprimento de onda de 1020 nm e taxa de repetição de 10 Hz. E pulsos terahertz com uma frequência central de 0,29 terahertz (período de 3,44 ps) são gerados pela frente inclinada do pulso.
Apenas 2 x 50 nJ de energia terahertz foram utilizados para alimentar o STEAM buncher (compressor de feixe), enquanto 2 x 15 mJ foram necessários para o STEAM-linac (acelerador linear).
O diâmetro da entrada e saída dos dois dispositivos STEAM é de 120 mícrons.
O compressor de feixe é projetado com três camadas da mesma altura (0,225 mm), equipadas com placas de sílica fundida (ϵ
r = 4,41) com 0,42 e 0,84 mm de comprimento para controlar a sincronização do tempo. As alturas iguais das camadas do compressor refletem o fato de que a aceleração não ocorre (
2s ).
Mas em um acelerador linear, as alturas já diferem - 0,225, 0,225 e 0,250 mm (+ placas de sílica fundida 0,42 e 0,84 mm). Um aumento na altura da camada explica o aumento na velocidade do elétron durante a aceleração.
Os cientistas observam que o número de camadas é diretamente responsável pela funcionalidade de cada um dos dois dispositivos. Para alcançar um nível mais alto de aceleração, por exemplo, são necessárias mais camadas e uma configuração de altura diferente para otimizar a interação.
Os resultados de experimentos práticos
Em primeiro lugar, os pesquisadores lembram que em aceleradores tradicionais baseados em radiofrequências, a influência da extensão temporal de um feixe de elétrons incorporado nas propriedades de um feixe acelerado está associada a uma mudança no campo elétrico experimentada durante a interação de vários elétrons dentro do feixe que chegam em momentos diferentes. Assim, pode-se supor que campos com um grande gradiente e vigas com uma duração mais longa levarão a uma maior disseminação de energias. Vigas de longa duração introduzidas também podem levar a maiores
emissões * .
Emittans * - espaço de fase que ocupa um feixe acelerado de partículas carregadas.
No caso de um acelerador terahertz, o período do campo de excitação é aproximadamente 200 vezes menor. Consequentemente, a
força * do campo suportado será 10 vezes maior.
Intensidade do campo elétrico * é um indicador do campo elétrico igual à razão da força aplicada a uma carga pontual fixa colocada em um determinado ponto do campo em relação à magnitude dessa carga.
Assim, em um acelerador de terahertz, os gradientes de campo experimentados pelos elétrons podem ser várias ordens de magnitude maiores do que em um dispositivo convencional. A escala de tempo em que a curvatura do campo é perceptível será muito menor. Daqui resulta que a duração do feixe de elétrons introduzido terá um efeito mais pronunciado.
Os cientistas na prática decidiram testar a teoria. Para isso, eles introduziram feixes de elétrons de diferentes durações, que foram controlados por compressão devido ao primeiro dispositivo STEAM (STEAM-buncher).
Imagem No. 3No caso em que o compressor não estava conectado à fonte de energia, os feixes de elétrons (55 keV) com uma carga de ± 1 fC (femtocoulon) passaram aproximadamente 300 mm da pistola de elétrons para o dispositivo acelerador linear (STEAM-linac). Esses elétrons podem se expandir sob a influência de forças de carga espacial até uma duração superior a 1000 fs (femtossegundos).
Com essa duração, o feixe de elétrons ocupava cerca de 60% da meia onda do campo acelerador com uma frequência de 1,7 ps, o que levava ao espectro de energia após a aceleração com um pico de 115 keV e uma meia largura da distribuição de energia superior a 60 keV (
3a ).
Para comparar esses resultados com os esperados, a situação de propagação de elétrons através de um acelerador linear foi simulada quando os elétrons estavam fora de sincronia (ou seja, não coincidiam com) em relação ao tempo ideal de introdução. Os cálculos dessa situação mostraram que o aumento da energia eletrônica depende muito do momento da introdução até a escala de tempo subpicosegundo (
3b ). Ou seja, com o ajuste ideal, o elétron experimentará um meio ciclo completo de aceleração da radiação terahertz em cada camada (
3c ).
Se os elétrons chegam em momentos diferentes, eles experimentam menos aceleração na primeira camada, o que requer mais tempo para sua passagem. Em seguida, a dessincronização é aprimorada nas seguintes camadas, das quais há uma desaceleração indesejável (
3d ).
Para minimizar o efeito negativo do comprimento temporal do feixe de elétrons, o primeiro dispositivo STEAM funcionou no modo de compressão. A duração do feixe de elétrons no acelerador linear foi otimizada para um mínimo de ~ 350 fs (meia largura) ajustando a energia em terahertz fornecida ao compressor e alternando o acelerador linear para o modo de
hachura (
4b ).
Imagem No. 4A duração mínima do feixe foi definida de acordo com a duração do pulso UV do fotocatodo, cuja duração foi de ~ 600 fs. A distância entre o compressor e a tira também teve um papel importante, o que limitou a força do espessamento na velocidade. Juntas, essas medidas possibilitam garantir a precisão de femtossegundos da fase de introdução no estágio de aceleração.
A Figura
4a mostra que a propagação de energia de um feixe de elétrons comprimido após aceleração otimizada em um acelerador linear diminui em ~ 4 vezes em comparação com a descompressão. Devido à aceleração, o espectro de energia de um feixe compactado muda para energias mais altas, em contraste com um feixe não compactado. O pico do espectro de energia após a aceleração é de cerca de 115 keV, e a cauda de alta energia atinge cerca de 125 keV.
Esses indicadores, de acordo com uma declaração modesta dos cientistas, são um novo recorde de aceleração (antes da aceleração ter sido de 70 keV) na faixa de terahertz.
Mas, para reduzir a propagação de energia (
4a ), é necessário obter um feixe ainda mais curto.
Imagem No. 5No caso de um feixe introduzido não comprimido, a dependência parabólica do tamanho do feixe na corrente revela a emissão transversal nas direções horizontal e vertical: ε
x, n = 1,703 mm * mrad e ε
y, n = 1,491 mm * mrad (
5a ).
A compressão, por sua vez, melhorou a emissão transversal em 6 vezes para ε
x, n = 0,285 mm * mrad (horizontal) e ε
y, n = 0,246 mm * mrad (vertical).
Deve-se notar que o grau de diminuição da emissão é aproximadamente duas vezes maior que o grau de redução na duração do feixe, que é uma medida da não linearidade da dinâmica da interação com o tempo, quando os elétrons experimentam forte foco e desfocagem do campo magnético durante a aceleração (
5b e
5c ).
Pode ser visto na imagem
5b que os elétrons introduzidos no momento ideal experimentam todo o meio período de aceleração do campo elétrico. Mas os elétrons que chegam antes ou depois do ponto ideal no tempo experimentam menos aceleração e até desaceleração parcial. Como resultado, esses elétrons recebem menos energia, grosso modo.
Uma situação semelhante é observada quando exposta a um campo magnético. Os elétrons introduzidos no momento ideal experimentam uma quantidade simétrica de campos magnéticos positivos e negativos. Se a introdução de elétrons ocorreu antes do tempo ideal, havia mais campos positivos e menos negativos. No caso da introdução de elétrons depois do tempo ideal, há menos positivos e mais negativos (
5s ). E tais desvios levam ao fato de que o elétron pode se desviar para a esquerda, direita, para cima ou para baixo, dependendo da posição em relação ao eixo, o que leva a um aumento no momento transversal correspondente à focalização ou desfocagem do feixe.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o
relatório dos cientistas e
materiais adicionais .
Epílogo
Resumindo, o desempenho do acelerador aumentará no caso de uma diminuição na duração do feixe de elétrons. Neste trabalho, a duração alcançável do feixe foi limitada pela geometria da instalação. Mas, em teoria, a duração do feixe pode chegar a menos de 100 fs.
Os cientistas também observam que a qualidade do feixe pode ser melhorada reduzindo a altura das camadas e aumentando seu número. No entanto, este método não é isento de problemas, em particular, aumentando a complexidade da produção do dispositivo.
Este trabalho é a etapa inicial de um estudo mais extenso e detalhado de uma versão em miniatura de um acelerador linear. Apesar de a versão testada já apresentar excelentes resultados, que podem ser chamados de registro, ainda há muito trabalho.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)
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