Плазменное ускорение - Plasma acceleration

Плазменное ускорение это техника для ускорения заряженные частицы, Такие как электроны, позитроны, и ионы, с использованием электрическое поле связана с электронная плазменная волна или другие высокоградиентные плазменные структуры (например, ударные поля и поля оболочки). Структуры ускорения плазмы создаются либо с помощью сверхкоротких лазер импульсы или пучки энергичных частиц, которые согласованы с параметрами плазмы. Эти методы предлагают способ создания высокой производительности ускорители частиц намного меньшего размера, чем у обычных устройств. Основные представления об ускорении плазмы и его возможностях были первоначально задуманы Тосики Тадзима и проф. Джон М. Доусон из UCLA в 1979 г.[1] Первоначальные экспериментальные проекты ускорителя "кильватерного поля" были разработаны в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса. Проф. Чан Джоши и другие.[2] 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[3] против 0,1 ГэВ / м для ВЧ ускорителя[4]) в масштабе один метр.

Плазменные ускорители открывают большие перспективы для создания доступных и компактных ускорителей для различных приложений, от физики высоких энергий до медицинских и промышленных приложений. Медицинские приложения включают бетатрон и свободный электрон источники света для диагностики или радиационная терапия и источники протонов для адронная терапия. 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 на Национальная лаборатория Лоуренса Беркли ускоряет электроны до 1 ГэВ примерно на 3,3 см (5,4 × 1020 граммп ),[5] и один обычный ускоритель (ускоритель наивысшей энергии электронов) на SLAC требуется 64 м для достижения той же энергии. Точно так же при использовании плазмы выигрыш в энергии более 40 ГэВ была достигнута с помощью пучка SLAC SLC (42 ГэВ) всего за 85 см с помощью плазменного ускорителя кильватерного поля (8,9x1020 граммп).[6] После полного развития технология сможет заменить многие традиционные ВЧ-ускорители, которые в настоящее время используются в коллайдерах частиц, больницах и исследовательских центрах.

История

В Техасский петаваттный лазер объект на Техасский университет в Остине ускоренные электроны до 2 ГэВ на расстоянии примерно 2 см (1,6x1021 граммп).[7] Этот рекорд был побит (более чем в 2 раза) в 2014 г. учеными из БЕЛЛА (лазер) Центр в Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, когда они генерировали электронные пучки до 4,25 ГэВ.[8]

В конце 2014 г. исследователи из Национальная ускорительная лаборатория SLAC Используя Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET), опубликовано доказательство жизнеспособности технологии плазменного ускорения. Было показано, что он может достигать от 400 до 500 раз более высокой передачи энергии по сравнению с обычной конструкцией линейного ускорителя.[9][10]

Доказательный эксперимент с плазменным кильватерным ускорителем с использованием пучка протонов 400 ГэВ из Супер протонный синхротрон в настоящее время работает в ЦЕРН.[11] Эксперимент под названием БОДРСТВУЮЩИЙ, начал эксперименты в конце 2016 года.[12]

В августе 2020 года ученые сообщили о достижении важной вехи в разработке лазерно-плазменных ускорителей и продемонстрировали их самую длительную стабильную работу - 30 часов.[13][14][15][16][17]

Концепция

А плазма состоит из жидкости, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц, обычно создаваемых путем нагрева или фотоионизации (прямое / туннельное / многофотонное / подавление барьера) разбавленного газа. В нормальных условиях плазма будет макроскопически нейтральной (или квазинейтральной), равной смесью электроны и ионы в равновесии. 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, край. Частица, впрыснутая в такую ​​плазму, будет ускоряться полем разделения зарядов, но поскольку величина этого разделения обычно 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 надлежащим 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 лазер импульсы или электронные сгустки. Плазменные электроны вытесняются и удаляются от центра следа за счет пондеромоторная сила или электростатические поля от 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, пузыря 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 можно создать, отправив релятивистский протон или электронный сгусток в соответствующую плазму или газ.[18] В некоторых случаях газ может быть ионизирован электронным сгустком, так что электронный сгусток создает как плазму, так и след. Для этого требуется электронный сгусток с относительно большим зарядом и, следовательно, сильными полями. Затем сильные поля электронного сгустка выталкивают электроны плазмы из центра, создавая след.

Подобно следу, управляемому лучом, лазерный импульс может использоваться 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 удаляются 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 пучком в плазме

Именно это "кильватерное 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, как серфер могут двигаться со скоростью, намного превышающей скорость волны, на которой они плывут, путешествуя по ней. Ускорители, разработанные для использования преимуществ этого метода, в просторечии называются «сурфатронами».

Сравнение с ВЧ ускорением

Преимущество ускорения плазмы в том, что ее ускоряющее поле может быть намного сильнее, чем поле обычного радиочастотного (RF). ускорители. В ускорителях ВЧ поле имеет верхний предел, определяемый порогом для пробой 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:

  • плазменное кильватерное ускорение (PWFA): Электронная плазменная волна образована электронным или протонным сгустком.
  • лазерное ускорение кильватерного поля (LWFA): Лазерный импульс вводится для формирования электронной плазменной волны.
  • лазерное ускорение волны биений (LBWA): Электронная плазменная волна возникает на основе генерации двух лазерных импульсов на разной частоте. «Surfatron» является усовершенствованием этой техники.[19]
  • самомодулируемое лазерное ускорение кильватерного поля (SMLWFA): Формирование электронной плазменной волны достигается с помощью лазерного импульса, модулированного вынужденное комбинационное рассеяние вперед нестабильность.

О первой экспериментальной демонстрации ускорения кильватерного поля, которая была проведена с помощью PWFA, сообщила исследовательская группа в Аргоннская национальная лаборатория в 1988 г.[20]

Формула

Градиент ускорения для линейной плазменной волны равен:

В этом уравнении это электрическое поле, это скорость света в вакууме, это масса электрон, - плотность электронов плазмы (в частицах на кубический метр), а это диэлектрическая проницаемость свободного пространства.

Экспериментальные лаборатории

В настоящее время плазменные ускорители частиц находятся в доказательство концепции фаза в следующих учреждениях:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Tajima, T .; Доусон, Дж. М. (1979). «Лазерный ускоритель электронов». Phys. Rev. Lett. 43 (4): 267–270. Bibcode:1979ПхРвЛ..43..267Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.43.267. S2CID  27150340.
  2. ^ Joshi, C .; Mori, W. B .; Katsouleas, T .; Dawson, J.M .; Kindel, J.M .; Форслунд, Д. В. (1984). «Ускорение сверхвысокого градиента частиц с помощью мощных лазерных волн плотности плазмы». Природа. 311 (5986): 525–529. Bibcode:1984Натура.311..525J. Дои:10.1038 / 311525a0.
  3. ^ Katsouleas, T .; и другие. Предложение об эксперименте по ускорению плазменного кильватерного поля 1 ГэВ в SLAC. IEEE. Дои:10.1109 / pac.1997.749806. ISBN  0-7803-4376-X.
  4. ^ Takeda, S; и другие. (27 ноября 2014 г.). «Электронный ускоритель испытательной установки для линейного коллайдера» (PDF). Часть. Accel. 30: 153–159. Получено 13 октября, 2018.
  5. ^ Leemans, W. P .; и другие. (24 сентября 2006 г.). «Электронные пучки ГэВ от ускорителя сантиметрового масштаба». Природа Физика. Springer Nature. 2 (10): 696–699. Bibcode:2006НатФ ... 2..696л. Дои:10.1038 / nphys418. ISSN  1745-2473.
  6. ^ Блюменфельд, Ян; и другие. (2007). «Удвоение энергии электронов 42 ГэВ в плазменном кильватерном ускорителе метрового масштаба». Природа. Springer Nature. 445 (7129): 741–744. Bibcode:2007Натура.445..741Б. Дои:10.1038 / природа05538. ISSN  0028-0836. PMID  17301787.
  7. ^ Ван, Сяомин; и другие. (11 июня 2013 г.). «Квазимоноэнергетическое лазерно-плазменное ускорение электронов до 2 ГэВ». Nature Communications. Springer Nature. 4 (1): 1988. Bibcode:2013 НатКо ... 4E1988W. Дои:10.1038 / ncomms2988. ISSN  2041-1723. ЧВК  3709475. PMID  23756359.
  8. ^ Leemans, W. P .; и другие. (8 декабря 2014 г.). "Электронные пучки с энергией нескольких ГэВ от субпетаваттных лазерных импульсов с капиллярным разрядом в режиме самозахвата". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 113 (24): 245002. Bibcode:2014ПхРвЛ.113х5002Л. Дои:10.1103 / Physrevlett.113.245002. ISSN  0031-9007. PMID  25541775.
  9. ^ Литос, М .; и другие. (2014). «Высокоэффективное ускорение электронного пучка в ускорителе плазменного кильватерного поля». Природа. Springer Nature. 515 (7525): 92–95. Bibcode:2014 Натур.515 ... 92л. Дои:10.1038 / природа13882. ISSN  0028-0836. OSTI  1463003. PMID  25373678.
  10. ^ «Исследователи достигли вехи в ускорении частиц с помощью плазмы». Национальная ускорительная лаборатория SLAC. 5 ноября 2014 г.
  11. ^ Assmann, R .; и другие. (2014). «Протонное ускорение плазменного кильватерного поля: путь в будущее физики частиц высоких энергий». Физика плазмы и управляемый синтез. 56 (8): 084013. arXiv:1401.4823. Bibcode:2014ППКФ ... 56х4013А. Дои:10.1088/0741-3335/56/8/084013. ISSN  1361-6587. Получено 13 октября, 2018.
  12. ^ «ПРОБУЖДЕНИЕ: волна в ускорительной технике». Получено 20 июля 2017.
  13. ^ «Мировой рекорд: плазменный ускоритель работает круглосуточно». Phys.org. Получено 6 сентября 2020.
  14. ^ "Rekord: Längster Lauf eines Plasmabeschleunigers". scinexx | Das Wissensmagazin (на немецком). 21 августа 2020 г.. Получено 6 сентября 2020.
  15. ^ «Важная веха на пути к будущим ускорителям частиц». AZoM.com. 20 августа 2020 г.. Получено 6 сентября 2020.
  16. ^ «Плазменные ускорители могут преодолеть ограничения размера Большого адронного коллайдера». Phys.org. Получено 6 сентября 2020.
  17. ^ Maier, Andreas R .; Delbos, Niels M .; Эйхнер, Тимо; Хюбнер, Ларс; Джалас, Сорен; Йеппе, Лауридс; Веселый, Спенсер У .; Кирхен, Мануэль; Леру, Винсент; Месснер, Филипп; Шнепп, Маттиас; Багажник, Максимилиан; Уокер, Пол А .; Верле, Кристиан; Винклер, Пол (18 августа 2020 г.). «Расшифровка источников изменчивости энергии в лазерно-плазменном ускорителе». Физический обзор X. 10 (3): 031039. Дои:10.1103 / PhysRevX.10.031039. CC-BY icon.svg Текст и изображения доступны под Международная лицензия Creative Commons Attribution 4.0.
  18. ^ Колдуэлл, А. (2016). «Путь к пробуждению: эволюция концепции». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция А. 829: 3–16. arXiv:1511.09032. Bibcode:2016NIMPA.829 .... 3C. Дои:10.1016 / j.nima.2015.12.050. HDL:11858 / 00-001M-0000-002B-2685-0.
  19. ^ Katsouleas, T .; Доусон, Дж. М. (1983). «Ускоритель плазменных волн - Surfatron I». IEEE Trans. Nucl. Наука. 30 (4): 3241–3243. Bibcode:1983ITNS ... 30,3241K. Дои:10.1109 / TNS.1983.4336628.
  20. ^ Rosenzweig, J. B .; и другие. (4 июля 1988 г.). «Экспериментальное наблюдение ускорения кильватерного поля плазмы». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 61 (1): 98–101. Bibcode:1988ПхРвЛ..61 ... 98Р. Дои:10.1103 / Physrevlett.61.98. ISSN  0031-9007. PMID  10038703.
  21. ^ «SPARC_LAB (Источники плазменных ускорителей и радиационный комптон с лазером и лучом) на LNF».
  22. ^ "DESY News: проект инновационного ускорителя дает первый пучок частиц". Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Получено 13 октября, 2018.
  23. ^ «Лазерно-плазменные источники света». ЛЮКС. Получено 2017-10-23.

внешняя ссылка