Fig. 1. Schema de accelerație cu laser dielectric. Pe sticlă de cuarț cu caneluri periodice submicronice straluceste un fascicul laser de-a lungul unei suprafețe perpendiculare este pornit canelurile și cu fascicul de electroni curgere. Rularea de-a lungul suprafeței undei de lumină efemeră preia electroni și le accelerează la domeniul lor. Imagine cu site-ul physics.aps.org
Dificultăți fizica accelerator
Acceleratoarele de particule sunt necesare nu numai pentru fizicieni, ci și oameni obișnuiți. Din zecile de mii de acceleratoare care există acum în lume, doar aproximativ o sută de lucrări în scopul propus, pentru studiul microcosmos. Toate celelalte sunt utilizate pentru aplicatii in biologie, stiinta materialelor, medicina, chiar și, destul de ciudat, pentru studiul istoriei antice (care este doar un exemplu). Un scurt rezumat al acestor aplicații pot fi găsite, de exemplu, în acceleratoarele broșură și grinzi, Instrumente pentru descoperirea și inovare (PDF, 7 Mb).
Accelerarea intensității câmpului în megavolts și chiar zeci de megavolt pe metru de tehnologie modernă, încă realizează. De obicei, într-o cameră în formă de complex superconductoare special conceput este excitat de un puternic val electromagnetice în picioare, care împinge particulele care zboară prin ea (verifica abilitățile lor poate accelera particulele în joc flash LHC joc). Cu toate acestea, gradientul este mai mare decât câteva zeci MeV / m în astfel de celule nu pot fi obținute - un metal nu poate rezista câmpului puternic prea, există o cameră defalcare. Acesta este motivul pentru acceleratorul liniar de electroni-pozitroni cu o energie de ordinul a 1 TeV va fi lung, câteva zeci de kilometri, și, ca rezultat, destul de scump.
O altă variantă de realizare - pentru a face acceleratorul nu este liniară, ci ciclică, adică inelul (vezi dispozitiv accelerator tipic în grafic interactiv.). Particulele din ea circulă constant în interiorul conductei inelare, iar distanța nu a fost testat numai o singură dată. Apoi, puteți pune secțiunea de accelerație modestă, dar energia poate fi crescută aparent fără limite - deoarece particulele se va acoperi de milioane de ori pe secundă. Din păcate, există o altă problemă. Particulele cu prea multă energie este dificil să se mențină pe calea circulară. Porțiunea liniară - te rog, dar, de îndată ce particula să fie rotit, este necesar să se aplice o forță. Acest lucru este realizat, din nou, datorită câmpului extern - de data aceasta un câmp magnetic în interiorul magnetului de îndoire. Deoarece este limitat, este necesar să se transforme particulele treptat. care este, pentru a crește raza de întoarcere. Prin urmare, acceleratorii circulare pe energii înalte, cum ar fi Large Hadron Collider, de asemenea, primește imens.
În cazul acceleratoarelor de electroni ciclice apare o altă problemă suplimentară atunci când electronii cotitură radiază unde electromagnetice și pierde energie. Prin urmare, secțiunea de accelerație trebuie, în primul rând, pentru a compensa pierderea de energie în timpul fiecărei revoluții, și apoi pentru a crește energia. Și când simpla întreținere de energie necesară pentru a cheltui sute de megawați (!), Creșterea în continuare a acestuia este pur și simplu neprofitabilă. Pentru o cale liniară nu există astfel de probleme.
Deci, în ambele tipuri de accelerator există o limită naturală privind energia particulelor, și apare pentru că noi încă nu știu cum să creeze și să păstreze o suficient de puternice câmpuri electrice și magnetice. Nici bine stabilit tehnologia convențională, este acum accelerarea nu poate face față cu această problemă.
Din fericire, marea majoritate a cererilor de acceleratoare nu este o problemă. Energia necesară există mici, de ordinul a sute de MeV, acestea pot fi bine pentru a obține și instala dimensiunea de câțiva metri. Dar există și alte probleme tehnice, variind de la procesul de fabricație de înaltă tehnologie de accelerare secțiuni și terminând cu infrastructura sofisticată și un consum de mare putere. Și acceleratorii compacte astfel nu pot fi numite: pentru ei, în orice caz, este necesar să se aloce întreaga clădire. Pe desktop, și mai accelerator portabile pot doar să viseze.
Încercările de a sparge cercul vicios
Singura modalitate de a reduce drastic dimensiunea de accelerație și de a reduce costurile de producție a acestora - pentru a găsi o nouă tehnologie de accelerare a particulelor. ceea ce ar permite creșterea gradientului de accelerare de cel puțin până la sute de MeV / m. Și sper că este. Faptul este că, în principiu, intensitatea câmpului electromagnetic în multe gigavolty pe metru este ușor de obținut; principala dificultate - cum să-l păstrați. deoarece acest domeniu va duce la descompunerea pereților metalici.
Aceste tehnologii promițătoare sunt, cu toate acestea, dezavantaje. Prima - problema de scalabilitate. Despre acceleratoare cu laser, în general, nu au nimic de spus, nu există decât o singură accelerare este obținută atunci când arde printr-o folie de frunză. În laser-plasma demonstrat câmp enorm în timp ce în interiorul dimensiunea celulei mici nu mai mult de câțiva centimetri. Pentru a accelera mare de energie necesară pentru a acosta o multitudine de astfel de celule reciproc și sincroniza formarea unei bule de plasmă în toate acestea. Aici, această problemă rămâne nerezolvată, deși au fost deja efectuate primele experimente pe dockingul celor două camere.
O altă problemă evidentă - comportamentul fasciculului de particule accelerate. După fasciculul nu trebuie doar să zboare prin plasma în sine, dar, de asemenea, să treacă în mod continuu prin pereții camerei. Este compatibil cu parametrii necesari fasciculelor și intensitatea lor - o chestiune complexă; În orice caz, avem de a puzzle-ului asupra modului în care să nu se strice accelerarea fasciculului.
În cele din urmă, există o problemă cu costul. Chiar dacă reușiți să creați, să zicem, un accelerator de protoni compact pentru arderea cu laser a tumorilor canceroase, se va utiliza în continuare un laser grele, care este o instalație foarte scump.
Cu toate acestea, trebuie spus la creditul acceleratoare cu laser-plasma, care potențialul lor este departe de a fi epuizat. Câteva luni în urmă diagrama și plasma de accelerare a electronilor simulate numeric în structura periodică a fost descrisă. Accelerarea gradienți se obțin destul de exorbitantă, multe TeV / m. În cazul în care acest lucru poate fi realizat, bosonii Higgs poate fi născut într-un accelerator de desktop. Cu toate acestea, de la idee la realizarea experimentală a unui drum lung, atâta timp cât propunerile sunt mai degrabă într-un dorit decât reală.
Noua tehnologie de accelerare
Fig. 2. O bară transparentă micrografie electronică din sticlă de cuarț cu gravată pe acestea caneluri periodice. Imaginea articolului în discuție în Phys. Rev. Lett.
În această situație, acceleratoare convenționale și cu laser-plasma pare foarte atractiv, o alta tehnica - dielectric accelerator cu laser. Nu sunt promițătoare gradienți mari de accelerare, acest sistem este simplitatea, scalabilitate, compactitatea și costuri reduse. A fost propus nu cu mult timp în urmă, și până în prezent totul se limitează doar la studiile teoretice ale acestui tip de accelerator. Dar acum situația sa schimbat recent in revista Nature si Physical Review Letters revista două articole au fost publicate în același timp, care se raportează la prima punere în aplicare cu succes a acestei metode. Accelerarea electronilor atinse în aceste studii, dar destul de nesemnificativ, dar pentru o eficiență ridicată aici și nimeni nu a fost alungare - aceste experimente numai cu succes dovedit că metoda funcționează. Deja, puteți vedea cum îmbunătăți cu ușurință performanța toate grinzile.
schița pe scurt esența accelerației cu laser dielectrică a exemplului unui articol din Phys. Rev. Lett. Într-un eșantion mic de un dielectric transparent (de exemplu, sticlă de cuarț) caneluri lungi, paralele sunt gravate cu o perioadă în microni fracția (Fig. 2). Se pare faza răzuirea, dar cu o perioadă foarte mică. Partea de jos a trecut prin fascicul laser de sticlă, cu o lungime de undă puțin mai lungă decât perioada gratarului. Un mod direct deasupra acestei structuri, paralelă cu suprafața de sticlă, muștelor cheag electronic compact. El simte doar raza laser - cu scopul, mintea vă, perpendicular pe mișcarea de electroni! - dar acest lucru este lumina laser accelerează (figura 1.).
Din cauza ce se întâmplă de accelerație? Lumina cu polarizare liniară perpendiculară pe canelurile, ceea ce duce la polarizare. De aceea, în vid, direct de la suprafață există un câmp electric oscilant periodic (vezi Fig. 3). În cazul în care perioada a structurii este prea mică, atunci acest câmp este păstrat aproape de suprafață, ca și în cazul în care un fel de lumină „virtuale“, și nu pot zbura în sus. Această așa-numita câmp apropiat de lumină. sau unde evanescente (a se vedea. problema pe o temă similară). Acesta poate fi reprezentat ca un set de unde electromagnetice, care se deplasează de-a lungul suprafeței sticlei, dar perpendicular pe șanțurile; această mișcare este prezentată în Fig. 3 sub formă de „cadre“ stare câmp succesive. Viteza acestor unde este ușor de personalizat de selecție de lungimi de undă de lumină. Acum, punctul important - câmpul electric în acest val este de asemenea direcționată de-a lungul suprafeței paralelă cu direcția de mișcare a valurilor. Există condiții ideale pentru accelerarea particulelor în cazul ciorchinele de electroni se deplasează cu aceeași viteză ca și unda, ea pur și simplu preia și duce mai departe, risipind incidental domeniul său electric.
Fig. 3. Principiul accelerației în acceleratorul cu laser dielectric. Lumina laser venind de jos, pe întreaga suprafață creează un timp variabil și câmpul electric spațiu direcționat paralel cu suprafața. Trei imagini secvențiale arată configurația câmpului în următoarele trei puncte în timp separate printr-o perioadă sfert de oscilație a undei de lumină. Flying peste suprafața și care se încadrează în câmp, particulele încărcate sunt accelerate (bit 1) pentru a încetini (bit 2), sau sunt divergente în mână (particulele 3 și 4), în funcție de locația lor. Imaginea articolului în discuție în Phys. Rev. Lett.
Fig. 4. O micrografie electronică a diferenței dintre cele două grile (stânga) și întreaga structură este în întregime pe vârful degetului (spre dreapta). Imaginea articolului în discuție în natură
În care această metodă este posibil să se obțină un gradient de accelerare de ordinul de mărime mai mare decât tehnologiile convenționale? Este pur și simplu datorită faptului că utilizează nici un metal și un dielectric. Metal raspunde sensibil la un câmp electric puternic, deoarece are electroni liberi. Prin urmare, câmpurile care cauzează defalcarea de metal camera de izolator încă deține. Studiile au arătat că o astfel de structură a câmpului de susținere din sticlă de cuarț cel puțin 9 GW / m, apoi un gradient de mai mult de 1 GeV / m într-un astfel de accelerator pare destul de realist.
Avantajele noii tehnologii
Numărul de mai sus este cu siguranță mult mai mare decât gradienții de accelerare în acceleratoare moderne, dar este departe de a fi acceleratorii cu laser-plasma de înregistrare. Cu toate acestea, acceleratorul dielectric are mai multe avantaje impresionante ca un concurent serios face.
În primul rând, producția și gestionarea mult mai ușor decât pentru acceleratoare convenționale sau cu laser-plasma sale. Structura necesară fabricat ușor și masiv pe liniile tehnologice existente, cum ar fi cele în care sunt făcute microcipuri. Faceti o întreagă bucată de sticlă, cu câteva ajunge la fiecare alte entități mai ușor (fig. 5, stânga). Laserul utilizat în ambele studii cele mai comune, disponibile în comerț, și nu un fel de super-putere.
Fig. 5. Stânga: placă de cuarț cu sute de structuri dielectrice relevante; dreapta: diagramă schematică montaj „accelerator-on-chip“, în care toate elementele unei structuri acceleratoare circulare sunt formate ca o placă solidă și impulsuri laser controlate. Imagini ale articolelor discutate.
În al treilea rând, plus mare a acestei tehnologii de accelerare este că acesta este complet optic și practic continuu (de exemplu, care lucrează pentru o lungă perioadă de timp, cu un laser în impulsuri cu milioane de impulsuri pe secundă). Nu este nevoie de a suferi cu electromagneți, și cu atât mai mult cu superconductori ca în acceleratoare convenționale; nu trebuie să trage impulsuri de lumina super-putere și arde folie în cu laser; nu este necesar să se mențină plasma în camere speciale și de a crea bule în ea fluctuează cu câmpul. Piesa dreapta de sticlă, în vid și lumină - care este tot ceea ce este necesar pentru accelerarea dielectric. Mai mult decât atât, deoarece dispozitivul optic nu are părți în mișcare, există un alt avantaj - viteză excepțională la comutarea modurilor.
În al patrulea rând, metoda descrisă permite nu numai pentru a dispersa particulele, dar, de asemenea, pentru a efectua alte manipulări cu grinzi - le roti și chiar să se concentreze. Ca rezultat, se pare un design uimitor realizabil, care poate fi numit "accelerator-on-a-chip" (fig. 5, dreapta). În interiorul unui singur pahar se va face toate elementele cheie ale unui accelerator circular, iar utilizatorul va avea nevoie doar de a furniza injectarea de particule și strălucire un fascicul laser în locul potrivit, la momentul potrivit. Având în vedere aceste realizări descrise ca fiind ieftine și ultra-boostere nu par a fi ceva fantastic.
Această combinație interesantă de beneficii face posibil să se gândească la plante noi, care inițial nu a venit în minte. De exemplu, dacă nu ne străduim pentru putere, ci pentru a oferi un buchet de electroni compact și monocromatica și controlate on-off și plecare, puteți obține un nou (și, în plus, foarte compact!) Instrumente de difracție de electroni ultrarapid, sau microscopie electronică rezolvate în timp.
Desigur, unele dificultăți de punere în aplicare rămân aici. De exemplu, este necesar să furnizeze parametrii fasciculului corespunzătoare la intrare în structura; Totuși el a trebuit să se strecoare în diferența este mai mică de un microni, și nu prea dispersa pereții vasului. Pentru o funcționare perfectă accelerator dielectric necesită, de asemenea, că fasciculul de electroni la intrare a fost împărțit în ultrascurt și mănunchiuri egal distanțate. Cu toate acestea, dispozitivele odată ce există deja de lucru, aceste dificultăți, aparent, nu contează.
Cât de jenant întâmplat - construit pentru LHC 10 gigaevro. Și acum sa dovedit că nici unul din construit și totul este de 100 de ori mai mică ar putea fi.
Încă nu uitați că tehnologia nu instantaneu gotovenkoe se nasc și să evolueze. Iar etapele intermediare sunt necesare, inclusiv pentru dezvoltarea acestor tehnologii, în viitor. în urmă cu 30 de ani, nu a existat nici o tehnologie _voobsche_, ceea ce ar permite să pună în aplicare LHC-ul. Proiectul a inclus crearea fazei sale de 10 ani de dezvoltare a acestor tehnologii. Ei au luat forma lor completă, până la sfârșitul anilor '90, iar apoi faza de stânga la linia de sosire.
Apoi, a devenit clar că ar trebui să încercăm să dezvolte noi tehnologii pentru o mai bună accelerare, și căutarea a început imediat în mai multe direcții. O parte din tehnologia a depășit de atunci, unele în urmă, chiar și în trecere a apărut noi. În general, oamenii au început să se gândească să se uite și gust. Aici este o tehnologie - doar din această serie. A doua lucrare a fost, de altfel, aceasta este realizată ca parte a dezvoltării generale a următoarei generații de program de accelerator, următor Linear Collider Test de Accelerator.
= Cum jenant sa întâmplat - construit pentru LHC 10 gigaevro. Și acum sa dovedit că nici unul dintre cele construite și totul este de 100 de ori mai puțin ar putea fi. =
Nu am înțeles: așa cum este descris în articolul accelerator - un rezervor de înlocuire?
Buck accelerează particule având nici o taxă. Și această tehnologie poate accelera doar particule încărcate. Dar, așa cum tehnologia este usor scalabil, a fost posibil de a construi acceleratorul ciocnirea particulelor încărcate, cu parametri ca la LHC.