Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Для использования в других целях, см Пробуждение (значения) .
Плазменная ячейка AWAKE длиной 10 метров, разработанная Институтом физики Макса Планка.
Сцинтиллятор шириной один метр показывает, были ли они ускорены. По сути, это экран, который загорается всякий раз, когда через него проходит заряженная частица. [1]
Установка источника электронов и пучка
Вид в разрезе высокочастотной фотоинжекторной пушки, которая производит электронный сгусток, который вводится в кильватерные поля плазмы.

Установка AWAKE ( Advanced WAKEfield Experiment ) в ЦЕРНе - это экспериментальный эксперимент, который впервые в мире исследует ускорение плазмы в кильватерном поле с использованием сгустка протонов в качестве драйвера. Он нацелен на ускорение низкоэнергетического сгустка электронов с 15-20 МэВ до нескольких ГэВ на коротком расстоянии (10 м) за счет создания высокого градиента ускорения в несколько ГВ / м. В используемых в настоящее время ускорителях частиц, таких как LHC ЦЕРНа, для ускорения используются стандартные или сверхпроводящие ВЧ-резонаторы, но они ограничены градиентом ускорения порядка 100 МВ / м.

Машины с круговыми ускорителями неэффективны для транспортировки электронов с высокой энергией из-за больших потерь энергии в синхротронном излучении . У линейных ускорителей нет этой проблемы, поэтому они лучше подходят для ускорения и транспортировки электронов при высоких энергиях. [2] [1]

Высокий градиент ускорения AWAKE позволит построить новое поколение более коротких и менее дорогих ускорителей высоких энергий , что представляет собой большой шаг в технологии ускорителей частиц, особенно для линейных ускорителей электронов.

Ускорение плазменного кильватерного поля с помощью протонного пучка [ править ]

Моделирование взаимодействия сгустков протонов (красные точки) с кильватерным полем плазмы (синие волны)

Плазма состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных свободных электронов, оставаясь при этом макроскопически нейтральной. Если приложить сильное электрическое поле, ионы и электроны могут быть пространственно разделены. Тем самым создается локальное электрическое поле, поэтому заряженная частица, входящая в такую ​​плазму, может быть ускорена. [3] Когда драйвер, положительно заряженный сгусток протонов, проникает в плазму, он притягивает отрицательно заряженные электроны плазмы, они пролетают мимо и начинают колебаться, создавая кильватерное поле. Взаимодействие между Wakefield и заряженной частицейвведенный за протоном можно интерпретировать как то же, что и между серфером и волной. Последний передаст свою энергию серферу, который, таким образом, получит ускорение. Кильватерное поле состоит из фазы замедления и ускорения, а также фазы фокусировки и расфокусировки. Положение инжекции электронного сгустка в кильватерном поле, таким образом, имеет решающее значение, поскольку только часть (1/4) кильватерного поля одновременно сфокусирована и ускорена, что необходимо для захвата и ускорения электронов. AWAKE - это первый эксперимент с плазменным кильватерным полем, в котором в качестве драйвера используется связка протонов. Протоны, как, например, протоны SPS ЦЕРН, могут нести большое количество энергии (~ 400 ГэВ). Следовательно, они могут создавать кильватерные поля в плазме на гораздо больших расстояниях, чем лазерный импульс или сгусток электронов в качестве драйвера из-за истощения энергии.[4]

Плазму можно рассматривать как ансамбль осцилляторов с частотой плазменной частоты ω p 2 = 4n e e 2 / εm e , где n e - плотность электронов плазмы , m e - масса электрона и e - элементарный заряд. [5] Для резонансного возбуждения этих осцилляторов драйвер должен содержать фурье- компоненту, близкую к плазменной частоте ω p . [5] Причем длина ведущего пучка должна быть близка к длине волны плазмы λ p (= 2πc / ω pгде c - скорость света ). Для плотности, подобной пробуждению (n e ≈ 1 • 10 15 см −3 ), это соответствует приблизительно λ p ≈ 1 мм. Длина имеющихся в настоящее время сгустков протонов значительно превышает это значение. Прибыль от AWAKE формируется за счет засеянной самомодуляции (SSM) протонного сгустка, проходящего через плазму, которая делит длинный протонный сгусток на короткие микропучки с длиной волны плазмы, которая может резонансно возбуждать кильватерное поле. [4] [5]

Центр пробуждения [ править ]

Эксперимент AWAKE установлен в ЦЕРНе, на территории бывшего центра нейтрино ЦЕРН в Гран-Сассо (CNGS). Это место было выбрано из-за его подземного расположения, и оно было специально разработано для использования пучков протонов высокой энергии без каких-либо серьезных радиационных проблем. [2]

Сгустки протонов для AWAKE извлекаются из SPS в ЦЕРНе и транспортируются по линии луча длиной ~ 800 метров к 10-метровому источнику пара AWAKE. Сгустки электронов-свидетелей инжектируются позади протонного сгустка. [4] Чтобы обнаружить ускорение инжектированных электронов, за паром устанавливается дипольный магнит , исключающий их путь. Чем больше энергия электрона, тем меньше кривизна его пути. Затем сцинтилляционный экран обнаруживает ускоренные электроны. [1]

Источник пара содержит рубидий (Rb) пар , который ионизируется с помощью Ti: Sapphire лазера. Источник пара окружен масляной баней. Путем установки температуры масла можно установить плотность паров Rb и поддерживать ее равномерной вдоль источника пара.

AWAKE использует лазерный импульс для ионизации паров Rb. Распространяя лазерный импульс коллинеарно внутри протонного сгустка, жесткий край взаимодействия пучка с плазмой вызывает самомодуляцию протонного сгустка, вызывая рост в плазме длиной 10 м. Это также позволяет создать опорную фазу для начало кильватерного поля, которое необходимо для введения группы свидетелей в нужную фазу для захвата и ускорения. Электроны производятся путем посылки лазера на фотокатод ВЧ-пушки. [6]

Хронология [ править ]

Первый запуск длился с 2016 по 2018 год. Источник пара длиной 10 метров был установлен 11 февраля 2016 года, а первый пучок протонов был отправлен через линию пучка и пустой источник пара 16 июня 2016 года. Первые данные с пучком протонов внутри плазмы был получен в декабре 2016 года. [4] [1] 26 мая 2018 года AWAKE впервые ускорила электронный пучок. Пучок ускорялся с 19 МэВ до 2 ГэВ на расстоянии 10 м. [7]

Второй запуск запланирован на 2021–2024 годы. Градиент ускорения будет увеличен, а эмиттанс, как ожидается, сократится. Планируется увеличить энергию электронов до 10 ГэВ. После этого этапа цель состоит в том, чтобы увеличить энергию как минимум до 50 ГэВ и обеспечить лучи для первых применений. [8]

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Райнова, И., изд. (2017). ПРОБУЖДЕНИЕ: ближе к прорывной технологии ускорения (Отчет). Женева, Швейцария.
  2. ^ a b Caldwell, A .; Gschwendtner, E .; Лотов, К .; Muggli, P .; Винг, М., ред. (2013). Отчет AWAKE Design: эксперимент по ускорению поля пробоя в плазме, управляемой протонами, в ЦЕРНе (отчет). Женева, Швейцария. CERN-SPSC-2013-013; SPSC-TDR-003.
  3. ^ Джоши, C .; Мори, ВБ; Katsouleas, T .; Доусон, JM; Kindel, JM; Форслунд, DW (1984). «Ускорение сверхвысокого градиента частиц с помощью мощных лазерных волн плотности плазмы». Природа . 311 (5986): 525–529. Bibcode : 1984Natur.311..525J . DOI : 10.1038 / 311525a0 . ISSN 0028-0836 . 
  4. ^ a b c d Pandolfi, S., ed. (2016). Ускорение пробуждения: прибытие плазматической клетки ПРОБУДЕНИЯ (отчет). Женева, Швейцария.
  5. ^ a b c Кумар, Навин; Пухов, Александр; Лотов, Константин (2010). «Автомодуляционная неустойчивость длинного протонного сгустка в плазме». Письма с физическим обзором . 104 (25): 255003. arXiv : 1003.5816 . Bibcode : 2010PhRvL.104y5003K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.104.255003 . PMID 20867389 . 
  6. ^ Muggli П., изд. (2016). Прогресс к эксперименту в AWAKE (отчет). DOI : 10,18429 / JACOW-NAPAC2016-WEPOA02 .
  7. ^ Адли, Э .; и другие. (Сотрудничество AWAKE) (2018). «Ускорение электронов в плазменном кильватерном поле протонного сгустка». Природа . 561 (7723): 363–367. arXiv : 1808.09759 . Bibcode : 2018Natur.561..363A . DOI : 10.1038 / s41586-018-0485-4 . ISSN 0028-0836 . PMID 30188496 .  
  8. ^ Энтони Хартин: Приложения физики элементарных частиц схемы ускорения AWAKE, EPS-HEP2019

Внешние ссылки [ править ]

  • Веб-сайт AWAKE