Тя включва нова технология за ускоряване на частиците
Фиг. 1. Схема на диелектричната лазер газта. На кварцово стъкло с периодични жлебове субмикронна блести лазерен лъч по повърхността перпендикулярна започва канали и лъч електронен поток. Работещи по повърхността на мимолетен светлина вълна взима електрони и ги ускорява до своята област. Изображение с physics.aps.org сайт
физика Трудности ускорител
Ускорители на елементарни частици са необходими не само за физици, но и обикновените хора. От десетки хиляди ускорители, които сега съществуват в света, само на около сто произведения по своето предназначение, за изучаване на микрокосмоса. Всички останали се използват за приложения в биологията, материалознание, медицина, и дори, достатъчно странно, за изучаване на древна история (това е само един пример). Кратко резюме на тези приложения може да се намери, например, в ускорителите брошурата и греди, инструменти за откриване и иновации (PDF, 7 Mb).
Ускоряване на напрегнатостта на полето в megavolts и дори десетки megavolt на метър на модерните технологии все още се постига. Обикновено в рамките на специално проектирани свръхпроводящ комплекс с форма на камера е развълнуван от мощен състояние електромагнитна вълна, която тласка частиците летят през него (вижте техните умения може да ускори частици в LHC игра флаш игра). Въпреки това, градиент е по-голямо от няколко десетки MeV не могат да се получат / m в такива клетки - метал не могат да издържат на силно областта също има повреда камера. Ето защо линеен позитрон-електронна ускорителя с енергия от порядъка на 1 TeV ще бъде дълъг, няколко десетки километра, а в резултат на това е доста скъпо.
Друг вариант - да газта не е линейна, но цикличен, т.е. пръстена (виж типичен ускорител устройство в интерактивна графиката.). Частици в него непрекъснато циркулират в тръбата пръстеновидния и разстоянието не изпитва само веднъж. След това можете да сложите точка на газта скромен, но енергията може да бъде увеличен на пръв поглед без граници - защото частиците ще летят милиони пъти в секунда. За съжаление, има и друг проблем. Частици с твърде много енергия е трудно да се задържат на кръглата път. Линейната част - моля, но веднага след като частицата да се върти, че е необходимо да се приложи сила. Това се постига, като отново се дължи на външното поле - този път магнитно поле в рамките на огъване магнита. Тъй като е ограничен, е необходимо да се превърне частиците постепенно. тоест, да се увеличи радиусът на завиване. Ето защо, кръгови ускорители на високите енергии, като Големия адронен ускорител, също получава огромни.
В случай на циклични електронни ускорители, възниква друг допълнителен проблем, когато се обръщат електрони излъчват електромагнитни вълни и губят енергия. Затова част на газта трябва, на първо място, за да се компенсира загубата на енергия по време на всяка революция, а след това да се увеличи енергията. И когато самият поддържането на енергия, необходима за да прекарат стотици мегавата (!), По-нататък му увеличение е просто нерентабилни. За линеен път няма такива проблеми.
Така че, и при двата вида ускорител има естествена граница на енергията на частиците, и това се случва, защото ние все още не знаем как да се създаде и поддържа достатъчно силен електрически и магнитни полета. Не конвенционален, утвърдена вече се ускорява технология не може да се справи с този проблем.
За щастие, по-голямата част от приложения на ускорители не е проблем. Енергийна нужда там са малки, от порядъка на стотици MeV, те може и да са, за да получите и инсталирате на размера на няколко метра. Но има и други технически проблеми, вариращи от хай-тек производствения процес на ускоряване на секции и завършва с усъвършенствана инфраструктура и висока консумация на енергия. И компактни ускорители такива не могат да бъдат наречени: за тях във всеки случай е необходимо да се разпредели цялата сграда. На работния плот, както и по-преносим ускорител може само да мечтаят.
Опитите да се прекъсне порочният кръг
Единственият начин да се намали драстично размера на педала на газта и да се намалят разходите за тяхното производство - да се намери нова технология ускорение на частиците. което ще позволи да се увеличи ускоряване градиент на най-малко до стотици MeV / m. И аз се надявам, че е. Факт е, че по принцип, напрегнатостта на полето в много gigavolty на метър е лесно да се получи; основната трудност - как да го задържи. защото тази област ще доведе до разпадането на металните стени.
Тези обещаващи технологии, обаче, са недостатъци. Първият - на проблема с мащабируемост. За лазерни ускорители като цяло нямат нищо да се каже, че има само един единствен ускорение се получава при изгарянето чрез лист фолио. В лазерно плазма демонстрира огромно поле, докато в малкия размер на клетка на не повече от няколко сантиметра. За да се ускори с висока енергия, необходима да се скачи множество такива клетки една към друга и синхронизиране на образуването на плазма балона на всички тях. Ето, този проблем остава нерешен, въпреки че вече са проведени първите опити на докинг от двете камери.
Друг проблем очевидно - поведението на ускорено лъч частиците. След гредата не само трябва да летят през самата плазма, но и непрекъснато да преминават през стените на камерата. Съвместимо ли е с необходимите параметри на гредите и тяхната интензивност - сложен въпрос; Във всеки случай, ние имаме въпроса как да не се развали ускорение лъч.
Най-накрая, че има проблем с цената. Дори и да успее да се създаде, да речем, компактен ускорител на протони за лазерно изгаряне на ракови тумори, тя все още ще използва тежкотоварен лазер, който е много скъпо съоръжение.
Въпреки това, той трябва да се каже, че кредитът на лазерно плазмени ускорители, които си потенциал далеч не е изчерпан. Преди няколко месеца диаграма и числено симулирани ускорение електрон плазма в периодична структура е описано. Ускоряване градиенти се получават съвсем прекомерно много TeV / m. Ако това може да се реализира, бозоните Хигс могат да бъдат родени в един настолен ускорител. Въпреки това, от идеята до реализацията на експериментален дълъг път, докато предложенията са по-скоро в желана от реалния.
Новата технология за ускорение
Фиг. 2. електронна микроснимка прозрачен прът, изработен от кварцово стъкло с гравиран него периодични канали. Образът на статията в процес на обсъждане в физ. Rev. Латвиец.
В тази ситуация, конвенционални и лазерно плазмени ускорители изглежда много атрактивни, друга техника - диелектрична лазер газта. Не обещава огромни ускоряване градиенти, тази схема е неговата простота, скалируемост, компактност и ниска цена. Не беше предложен отдавна, и засега всичко е ограничено до размера на теоретични изследвания на този вид ускорител. Но сега ситуацията се е променила наскоро в списание Nature и Physical Review Letters две статии са публикувани в същото време, който докладва за първи успешното прилагане на този метод. Ускорение на електроните, постигнати в тези проучвания, но съвсем незначително, но за висока ефективност тук и никой не гони - тези експерименти само успешно доказали, че методът работи. Вече можете да видите колко лесно се подобри ефективността на всички гредите.
Накратко очертае същността на диелектричната лазер ускоряване на примера на изделие в Phys. Rev. Латвиец. В малка проба от прозрачен диелектричен (например кварцово стъкло) дълги паралелни жлебове са гравирани с период в микрона фракция (фиг. 2). Оказва се, фазата решетка, но с много малък период от време. Bottom преминал през стъкло лазерен лъч с дължина на вълната малко по-дълъг от срока на решетката. А директно над тази структура, успоредна на повърхността на стъклото, мухи компактен електронен съсирек. Той чувства, само на лазерния лъч - цел, има ли, перпендикулярно на движението на електроните! - но това е лазерната светлина ускорява (Фигура 1.).
Благодарение на това, което се случва на ускорение? Светлината с линейна поляризация, перпендикулярна на каналите, което води до поляризация. Следователно във вакуум директно от повърхността има периодична осцилиращо електрическо поле (виж фиг. 3). Ако периодът на структурата е твърде малък, а след това поле е поверително близо до повърхността, като че ли един вид "виртуален" светлина, и не може да лети. Този така наречен близък обхват светлина. или затихваща вълна (вж. проблема на подобна тема). Тя може да бъде представена като поредица от електромагнитни вълни, които се движат по повърхността на стъклото, но перпендикулярна на каналите; това движение е показано на фиг. 3 във формата на последователни "рамки" поле състояние. Скоростта на тези вълни е лесно адаптивни избор светлина дължина на вълната. Сега важното - електрическото поле в тази вълна е насочено също по повърхността, успоредна на посоката на движение на вълна. Има идеални условия за ускоряване на частици, ако електрон китка се движи със същата скорост, както вълната, той просто улавя и пренася напред, между другото разсейването му електрическо поле.
Фиг. 3. Принципът на ускорение в диелектричната лазер газта. лазерна светлина, идваща от по-долу, върху повърхността създава променливи във времето и пространството електрическо поле насочена успоредно на повърхността. Три последователни изображения показват конфигурацията на полето в следните три точки във времето, разделени от една четвърт период на колебание на светлината вълна. Плаващи по повърхността и да попадат в областта, заредените частици се ускоряват (малко 1), за да се забави (малко 2), или се различават в ръка (частиците 3 и 4) в зависимост от тяхното местоположение. Образът на статията в процес на обсъждане в физ. Rev. Латвиец.
Фиг. 4. електронна микрограма на разликата между двете мрежи (вляво) и на цялата структура е изцяло на върха на пръста си (вдясно). Образът на статията в процес на обсъждане в природата
При което в този метод е възможно да се получи ускоряване градиент от порядъка на величина, по-голяма в сравнение с конвенционалните технологии? Това е просто поради факта, че той използва не метал и диелектрик. Metal чувствително реагира на силно електрическо поле, тъй като тя има свободни електрони. Ето защо, полетата, които да повишат разграждането в метална камера изолатор все още държи. Проучванията показват, че такава структура на стопанство поле кварцово стъкло поне 9 GW / m, след това градиент от повече от 1 GeV / т по такъв ускорител изглежда доста реалистични.
Предимства на новата технология
Горната брой със сигурност е много по-висока от ускоряващите градиентите в съвременните ускорители, но това е далеч от рекордните лазерно плазмени ускорители на. Въпреки това, диелектричен ускорител има няколко впечатляващи предимства, които я правят сериозен конкурент.
На първо място, неговото производство и управление на много по-лесно, отколкото при конвенционалните или лазерно плазмени ускорители. Необходимо структура лесно и масово производство на съществуващите технологични линии, такива като тези, в които са направени микрочипове. Направете едно цяло парче стъкло с няколко достигане на всеки други субекти, по-лесно (фиг. 5, в ляво). Лазерът се използва и в двете проучвания най-често срещаните, наличен в търговската мрежа, а не някаква супер-сила.
Фиг. 5. Ляво: кварцова плоча с стотици съответните диелектрични структури; полето: схематична диаграма монтаж "ускорител върху чип", в която всички елементи на кръгъл газта структури са оформени като твърдо вещество плоча и контролирани лазерни импулси. обсъдени Снимки на изделията.
На трето място, Големият плюс на тази технология е, че ускорението е напълно оптичен и почти непрекъснато (т.е. работи за дълго време с пулсиращ лазер с милиони импулса в секунда). Няма нужда да страдат с електромагнити, и още повече, че с свръхпроводници, както в традиционните ускорители; Не е необходимо да се стреля супер-електрически импулси светлина и изгори фолио в лазер; че не е необходимо да се поддържа плазмата в специални камери и създаване на балончета в него колебания с терена. се изисква е всичко, което за диелектричната ускорение - правото парче стъкло, вакуум и светлина. Освен това, тъй като оптичното устройство няма движещи се части, има още едно предимство - изключителна бързина при превключване на режима.
Четвърто, описания метод позволява не само да се разпръсне на частиците, но също така и да изпълнява други манипулации с греди - да ги сменят и дори се съсредоточи. В резултат на това, изглежда реализуема впечатляващ дизайн, който може да бъде наречен "ускорител-на-а-чип" (фиг. 5, в дясно). Вътре една единствена чаша ще бъдат направени всички ключови елементи на кръгови ускорител, а потребителят само ще трябва да предостави на инжектирането на частици и блясък на лазерен лъч на точното място в точното време. В светлината на тези постижения, описани като евтини и ултра-двигатели не изглежда да е нещо фантастично.
Тази интересна комбинация от предимства дава възможност да се мисли за нови инсталации, които първоначално не идват на ум. Например, ако ние не се стремим към власт, а за да се осигури компактен и монохромни електрон куп и контролиран за включване и изключване и заминаване, можете да получите нов (и, освен това, много компактен!) Инструмент за свръхбързи електрони дифракция, или разрешен по време на електронна микроскопия.
Разбира се, някои трудности по изпълнението останат тук. Например, е необходимо да се осигурят подходящи за дълги параметри на входа в структурата; И все пак той трябваше да се вмъкнем в разликата е по-малко от микрона, а не прекалено разпръснат към стените. За перфектен диелектрик операция ускорител също изисква електронен лъч на входа е разделена на ultrashort и равномерно разположени гроздове. Въпреки това, след като там вече работят устройства, тези трудности, както изглежда, няма значение.
Чувствам се засрамен случи - построен за LHC 10 gigaevro. А сега се оказа, че нито един от вградените и всичко е 100 пъти по-малко може да бъде.
Вие все още не забравяйте, че технологията не веднага gotovenkoe се раждат и да се развива. И междинните стъпки са необходими, включително за развитието на тези, бъдещите технологии. Преди 30 години не е имало _voobsche_ технология, която ще позволи да се приложи LHC. Проектът включва създаването на 10-годишното си фаза на развитие на тези технологии. Те са взели пълна форма до края на 90-те години, а след това фазата на ляво до финалната линия.
Тогава стана ясно, че ние трябва да се опитаме да развием нова технология за по-добро ускорение и търсенето започва веднага в много посоки. Някои от технологията, тъй като надмина, някои зад себе си, дори и за приемане на ново появи. Като цяло, хората започнаха да се мисли, да се търси и вкус. Тук е технология - само от тази серия. Второто дело е, между другото, тя се извършва като част от общото развитие на следващото поколение на програмата ускорител, Next Linear Collider Тест Accelerator.
= Как неудобно е случило - построен за LHC 10 gigaevro. А сега се оказа, че нито един от вградените и всичко е 100 пъти по-малко може да бъде. =
Аз не разбирам: както е описано в член ускорител - подмяна на резервоара?
Buck ускорява частици, имащи без заплащане. И тази технология може да ускори само заредени частици. Но тъй като технологията е лесно мащабируема, че е възможно да се изгради ускорителя сблъсък заредени частици, с параметри, като в LHC.
Свързани статии