Войти
Ускорение плазмы - это метод ускорения заряженных частиц, например электронов, позитроны и ионы, используя электрическое поле, связанное с электронной плазменной волной или другими высокоградиентными плазменными структурами (например, ударными и поля оболочки). Структуры ускорения плазмы создаются либо с использованием сверхкоротких лазерных импульсов, либо с помощью пучков энергичных частиц, которые согласованы с параметрами плазмы. Эти методы позволяют создавать высокоэффективные ускорители частиц гораздо меньшего размера, чем обычные устройства. Основные концепции ускорения плазмы и его возможности были первоначально разработаны Тошики Таджимой и профессором Джоном М. Доусоном из UCLA в 1979 году. ускоритель "Wakefield" был разработан в UCLA проф. Чан Джоши и др. Современные экспериментальные устройства показывают градиенты ускорения на несколько порядков лучше, чем современные ускорители частиц на очень коротких расстояниях, и примерно на порядок лучше (1 ГэВ / м против 0,1 ГэВ / м для ВЧ-ускорителя) в масштабе одного метра.
У плазменных ускорителей есть огромные перспективы для создания доступных и компактных ускорителей для различных приложений, от физики высоких энергий до медицинских и промышленных приложений. Медицинские приложения включают бетатрон и источники света на свободных электронах для диагностики или лучевую терапию и источники протонов для адронной терапии. В плазменных ускорителях обычно используются кильватерные следы, создаваемые волнами плотности плазмы. Однако плазменные ускорители могут работать во многих различных режимах в зависимости от характеристик используемой плазмы.
Например, экспериментальный лазерный плазменный ускоритель в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли ускоряет электроны до 1 ГэВ на расстоянии около 3,3 см (5,4x10 gn ), а один обычный ускоритель (максимальная энергия электронов ускоритель) на SLAC требуется 64 м для достижения той же энергии. Точно так же при использовании плазмы был достигнут выигрыш в энергии более 40 ГэВ с использованием пучка SLAC SLC (42 ГэВ) всего на 85 см с использованием плазменного ускорителя кильватерного поля (8,9x10 г n).. После полного развития технология сможет заменить многие традиционные ВЧ-ускорители, которые в настоящее время используются в коллайдерах частиц, больницах и исследовательских центрах.
Установка в Техасском университете в Остине ускоряла электроны до 2 ГэВ на протяжении примерно 2 см (1,6x10 г n). Этот рекорд был побит (более чем в 2 раза) в 2014 году учеными центра BELLA (лазер) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, когда они получили пучки электронов с энергией до 4,25 ГэВ.
В конце 2014 года исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, использующие Средство для усовершенствованных экспериментальных испытаний ускорителей (FACET), опубликовали доказательства жизнеспособности технологии плазменного ускорения. Было показано, что он может достигать в 400-500 раз более высокой передачи энергии по сравнению с обычной конструкцией линейного ускорителя.
Эксперимент с доказательством принципа действия плазменного ускорителя с кильватерным полем с использованием пучка протонов 400 ГэВ от Супер протонный синхротрон в настоящее время работает в ЦЕРН. Эксперимент под названием AWAKE начал эксперименты в конце 2016 года.
В августе 2020 года ученые сообщили о достижении важной вехи в разработке лазерно-плазменных ускорителей и продемонстрировали их наиболее длительную стабильную работу. 30 часов.
A плазма состоит из жидкости, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц, обычно создаваемых путем нагрева или фотоионизации (прямое / туннельное / многофотонное / подавление барьера) разбавленный газ. В нормальных условиях плазма будет макроскопически нейтральной (или квазинейтральной), в которой в равной степени будут находиться электроны и ионы. Однако, если приложить достаточно сильное внешнее электрическое или электромагнитное поле, электроны плазмы, которые очень легкие по сравнению с фоновыми ионами (в 1836 раз), будут пространственно отделиться от массивных ионов, создавая дисбаланс заряда в возмущенном состоянии. область. Частица, инжектированная в такую плазму, будет ускоряться полем разделения зарядов, но поскольку величина этого разделения в целом аналогична величине внешнего поля, очевидно, что ничего не получается по сравнению с традиционной системой, которая просто применяет поле непосредственно к частица. Но плазменная среда действует как наиболее эффективный преобразователь (известный в настоящее время) поперечного поля электромагнитной волны в продольные поля плазменной волны. В существующей технологии ускорителей используются различные соответствующим образом разработанные материалы для преобразования чрезвычайно интенсивных полей, распространяющихся в поперечном направлении, в поля, от которых частицы могут получить толчок. Этот процесс достигается с использованием двух подходов: структуры стоячей волны (например, резонансные полости) или структуры бегущей волны, такие как волноводы с дисковой нагрузкой и т. Д. Но ограничение материалов, взаимодействующих с все более и более высокими полями, заключается в том, что они в конечном итоге разрушаются через ионизация и пробой. Здесь наука о плазменных ускорителях обеспечивает прорыв в создании, поддержании и использовании самых высоких полей, когда-либо созданных наукой в лаборатории.
Что делает систему полезной, так это возможность введения волн с очень высоким разделением зарядов, которые распространяются через плазму, подобно концепции бегущей волны в обычном ускорителе. Таким образом, ускоритель синхронизирует фазу сгустка частиц на волне, и эта нагруженная волна объемного заряда ускоряет их до более высоких скоростей, сохраняя при этом свойства сгустка. В настоящее время плазменные следы возбуждаются лазерными импульсами соответствующей формы или электронными сгустками. Электроны плазмы вытесняются и удаляются от центра следа под действием пондеромоторной силы или электростатических полей возбуждающих полей (электронных или лазерных). Ионы плазмы слишком массивны, чтобы перемещаться значительно, и предполагается, что они являются стационарными в масштабах времени реакции электронов плазмы на возбуждающие поля. Когда возбуждающие поля проходят через плазму, электроны плазмы испытывают огромную силу притяжения обратно к центру следа со стороны камеры, пузырька или столба положительных ионов плазмы, которые остались там, как они были первоначально в невозбужденной плазме. Это формирует полный след чрезвычайно сильного продольного (ускоряющего) и поперечного (фокусирующего) электрического поля. Положительный заряд от ионов в области разделения зарядов затем создает огромный градиент между задней частью следа, где много электронов, и серединой следа, где в основном ионы. Любые электроны между этими двумя областями будут ускорены (в механизме самоинжекции). В схемах инжекции внешнего сгустка электроны стратегически инжектируются, чтобы прибыть в вакуумированную область во время максимального отклонения или выброса электронов плазмы.
Управляемый пучком след может быть создан путем отправки релятивистского протона или электронного сгустка в соответствующую плазму или газ. В некоторых случаях газ может быть ионизирован электронным сгустком, так что электронный сгусток создает и плазму, и след. Для этого требуется электронный сгусток с относительно большим зарядом и, следовательно, сильными полями. Сильные поля электронного сгустка выталкивают электроны плазмы из центра, создавая след.
Подобно следу, управляемому лучом, лазерный импульс можно использовать для возбуждения плазменного следа. Когда импульс проходит через плазму, электрическое поле света разделяет электроны и нуклоны так же, как и внешнее поле.
Если поля достаточно сильные, все ионизированные электроны плазмы могут быть удалены из центра следа: это известно как «режим выброса». Хотя в этот период частицы движутся не очень быстро, макроскопически кажется, что «пузырек» заряда движется через плазму со скоростью, близкой к скорости света. Пузырь - это очищенная от электронов область, которая таким образом заряжена положительно, за ней следует область, где электроны падают обратно в центр и, таким образом, заряжаются отрицательно. Это приводит к небольшой области очень сильного градиента потенциала после лазерного импульса.
В линейном режиме электроны плазмы не полностью удалены из центра следа. В этом случае можно применить уравнение линейной плазменной волны. Однако след выглядит очень похоже на режим выброса, и физика ускорения такая же.
След, создаваемый электронным лучом в плазме Именно это "следовое поле" используется для ускорения частиц. Частица, впрыснутая в плазму около области с высокой плотностью, будет испытывать ускорение по направлению к ней (или от нее), ускорение, которое продолжается по мере прохождения кильватерного поля через столб, пока частица в конечном итоге не достигнет скорости кильватерного поля. Еще более высокие энергии могут быть достигнуты, если частица перемещается по поверхности кильватерного поля, подобно тому, как серфер может перемещаться со скоростью, намного превышающей скорость волны, по которой он движется по ней. Ускорители, разработанные для использования преимуществ этой техники, в просторечии называются «сурфатронами».
Преимущество плазменного ускорения состоит в том, что его ускоряющее поле может быть намного сильнее, чем поле обычных радиочастотных (RF) ускорителей. В высокочастотных ускорителях поле имеет верхний предел, определяемый порогом пробоя диэлектрика ускорительной трубки. Это ограничивает величину ускорения в любой заданной области, требуя очень длинных ускорителей для достижения высоких энергий. Напротив, максимальное поле в плазме определяется механическими свойствами и турбулентностью, но обычно на несколько порядков сильнее, чем в высокочастотных ускорителях. Есть надежда, что компактный ускоритель частиц может быть создан на основе методов плазменного ускорения или могут быть построены ускорители с гораздо большей энергией, если можно реализовать длинные ускорители с ускоряющим полем 10 ГВ / м.
Плазменное ускорение подразделяется на несколько типов в зависимости от того, как формируется электронная плазменная волна:
Первая экспериментальная демонстрация ускорения кильватерного поля, которая была проведена с помощью PWFA, была сообщена исследовательской группой из Аргоннской национальной лаборатории в 1988 году.
Градиент ускорения для линейной плазменной волны равен:
В этом уравнении 
В настоящее время плазменные ускорители частиц находятся на стадии проверки концепции в следующих учреждениях:
