Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Плазменное ускорение - это метод ускорения заряженных частиц , таких как электроны , позитроны и ионы , с использованием электрического поля, связанного с электронной плазменной волной или другими высокоградиентными плазменными структурами (такими как ударные поля и поля оболочки). Структуры ускорения плазмы создаются либо с использованием ультракоротких лазерных импульсов, либо пучков энергичных частиц, которые согласованы с параметрами плазмы. Эти методы позволяют создавать высокоэффективные ускорители частиц гораздо меньшего размера, чем обычные устройства. Основные представления об ускорении плазмы и его возможностях были первоначально задуманыТошики Тадзима и профессор Джон М. Доусон из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1979 году. [1] Первоначальные экспериментальные конструкции ускорителя "вейкфилд" были разработаны в Калифорнийском университете профессором Чаном Джоши и др. [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 ускорителя RF [4] ) в масштабе один метр.

Плазменные ускорители открывают огромные перспективы для создания доступных и компактных ускорителей для различных приложений, от физики высоких энергий до медицинских и промышленных приложений. Медицинские приложения включают в себя бетатронные и свободных электронах источники света для диагностики или лучевой терапии и источников 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 в Беркли ускоряет электроны до 1 ГэВ на протяжении примерно 3,3 см (5,4 × 10 20 г · н ) [5], а одному обычному ускорителю (ускорителю с максимальной энергией электронов) в SLAC требуется 64 м для достижения та же энергия. Точно так же с использованием плазмы при использовании пучка SLAC SLC (42 ГэВ) всего за 85 см с помощью плазменного ускорителя кильватерного поля (8,9x10 20 г · н ) был достигнут выигрыш в энергии более 40 ГэВ . [6] После полного развития технология сможет заменить многие традиционные ВЧ-ускорители, которые в настоящее время используются в коллайдерах частиц, больницах и исследовательских центрах.

Наконец, ускорение плазмы не было бы полным, если бы не упоминалось также ускорение ионов при разлете плазмы в вакуум. Этот процесс происходит, например, при интенсивном взаимодействии лазера с твердой мишенью и часто упоминается как мишень. нормальное ускорение оболочки. За остроконечный, быстрый ионный фронт расширяющейся плазмы отвечает процесс обрушения ионной волны, который имеет место на начальной стадии и описывается уравнением Сака-Шамеля .

История [ править ]

Лазера Техас Петаваттные объект в Техасском университете в Остине ускоряются электроны до 2 ГэВ в течение примерно 2 см (1.6x10 21 г п ). [7] Этот рекорд был побит (более чем в 2 раза) в 2014 году учеными из центра BELLA (лазерный) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли , когда они получили пучки электронов с энергией до 4,25 ГэВ. [8]

В конце 2014 года исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, использующие Средство для продвинутых экспериментальных испытаний ускорителей (FACET), опубликовали доказательства 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]

В настоящее время в ЦЕРН проводится экспериментальный эксперимент с плазменным ускорителем с кильватерным полем, использующий пучок протонов 400 ГэВ от суперпротонного синхротрона . [11] Эксперимент под названием AWAKE 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 [ править ]

Плазмы состоят из жидкости положительных и отрицательных заряженных частиц, как правило , создается путем нагревания или фото-ионизирующими (прямой / туннельный / многофотонный / надбарьерный) разбавленный газ. В нормальных условиях плазма будет макроскопически нейтральной (или квазинейтральной), равной смесью электронов и ионов.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.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.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.и использовать самые высокие области, когда-либо созданные наукой в ​​лаборатории.и использовать самые высокие области, когда-либо созданные 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 пондеромоторной силой и удаляются от центра следа.или электростатические поля от возбуждающих полей (электронных или лазерных). Ионы плазмы слишком массивны, чтобы их перемещать, 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 его серединой, 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, подобно тому, как серфер может путешествовать со скоростью, намного превышающей скорость волны, по которой он движется по ней. Ускорители, разработанные для использования преимуществ этой техники, в просторечии называются «сурфатронами».

Сравнение с RF-ускорением [ править ]

Преимущество ускорения плазмы состоит в том, что ее ускоряющее поле может быть намного сильнее, чем у обычных радиочастотных (ВЧ) 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:

  • Ускорение плазменного кильватерного поля (PWFA) : Электронная плазменная волна формируется электронным или протонным сгустком.
  • ускорение лазерного 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 разных частотах. «Surfatron» является усовершенствованием этой техники. [19]
  • Автомодулированное ускорение лазерного кильватерного поля (SMLWFA) : формирование электронной плазменной волны достигается с помощью лазерного импульса, модулированного нестабильностью вынужденного комбинационного рассеяния вперед .

О первой экспериментальной демонстрации ускорения кильватерного поля, которая была проведена с помощью PWFA, сообщила исследовательская группа из Аргоннской национальной лаборатории в 1988 году [20].

Формула [ править ]

Градиент ускорения для линейной плазменной волны равен:

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

Экспериментальные лаборатории [ править ]

В настоящее время плазменные ускорители частиц находятся на стадии проверки концепции в следующих учреждениях:

  • Аргоннская национальная лаборатория
  • INFN Laboratori Nazionali di Frascati [21]
  • Институт квантовой оптики Макса Планка
  • Институт Гельмгольца, Йена
  • Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
  • Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
  • Национальная ускорительная лаборатория SLAC
  • UCLA
  • Лаборатория Резерфорда Эпплтона
  • Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора
  • Лаборатория военно-морских исследований США
  • Институт ядерной физики им. Будкера
  • университет Мичигана
  • Лаборатории Чок-Ривер
  • Техасский петаваттный лазер, Техасский университет в Остине
  • Усовершенствованные лазерно-плазменные ускорители высоких энергий на линии луча рентгеновских лучей (ALPHA-X) в Стратклайдском университете
  • Шотландский центр по применению плазменных ускорителей (SCAPA)
  • Лундский университет
  • Laboratoire d'Optique Appliquée
  • ЦЕРН
  • DESY / Гамбургский университет [22] [23]

См. Также [ править ]

  • Диэлектрический настенный ускоритель
  • Список статей по физике плазмы

Ссылки [ править ]

  1. ^ Таджима, Т .; Доусон, Дж. М. (1979). «Лазерный ускоритель электронов». Phys. Rev. Lett . 43 (4): 267–270. Bibcode : 1979PhRvL..43..267T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.43.267 . S2CID  27150340 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ Katsouleas, T .; и другие. Предложение об эксперименте по ускорению плазменного кильватерного поля 1 ГэВ в SLAC . IEEE. DOI : 10,1109 / pac.1997.749806 . ISBN 0-7803-4376-X.
  4. ^ Такеда, S; и другие. (27 ноября 2014 г.). "Электронный ускоритель испытательной установки для линейного коллайдера" (PDF) . Часть. Accel . 30 : 153–159 . Проверено 13 октября 2018 года .
  5. ^ Leemans, WP; и другие. (24 сентября 2006 г.). «Электронные пучки с ГэВ от ускорителя сантиметрового масштаба» . Физика природы . Springer Nature. 2 (10): 696–699. Bibcode : 2006NatPh ... 2..696L . DOI : 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 : 2007Natur.445..741B . DOI : 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 : 2013NatCo ... 4E1988W . DOI : 10.1038 / ncomms2988 . ISSN 2041-1723 . PMC 3709475 . PMID 23756359 .   
  8. ^ Leemans, WP; и другие. (8 декабря 2014 г.). "Электронные пучки с энергией нескольких ГэВ от субпетаваттных лазерных импульсов с капиллярным разрядом в режиме самозахвата" . Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 113 (24): 245002. Bibcode : 2014PhRvL.113x5002L . DOI : 10.1103 / physrevlett.113.245002 . ISSN 0031-9007 . PMID 25541775 .  
  9. ^ Litos, M .; и другие. (2014). «Высокоэффективное ускорение электронного пучка в плазменном кильватерном ускорителе» . Природа . Springer Nature. 515 (7525): 92–95. Bibcode : 2014Natur.515 ... 92L . DOI : 10,1038 / природа13882 . ISSN 0028-0836 . ОСТИ 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 термоядерный синтез . 56 (8): 084013. arXiv : 1401.4823 . Bibcode : 2014PPCF ... 56h4013A . DOI : 10.1088 / 0741-3335 / 56/8/084013 . ISSN 1361-6587 . Проверено 13 октября 2018 года . 
  12. ^ "ПРОБУЖДЕНИЕ: Создание волн в ускорительной технологии" . Проверено 20 июля 2017 года .
  13. ^ «Мировой рекорд: Плазменный ускоритель работает круглосуточно» . Phys.org . Дата обращения 6 сентября 2020 .
  14. ^ "Rekord: Längster Lauf eines Plasmabeschleunigers" . scinexx | Das Wissensmagazin (на немецком языке). 21 августа 2020 . Дата обращения 6 сентября 2020 .
  15. ^ «Важная веха, достигнутая на пути к будущим ускорителям частиц» . AZoM.com . 20 августа 2020 . Дата обращения 6 сентября 2020 .
  16. ^ "Плазменные ускорители могут преодолеть ограничения размера Большого адронного коллайдера" . Phys.org . Дата обращения 6 сентября 2020 .
  17. ^ Майер, Андреас Р .; 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» . Physical Review X . 10 (3): 031039. DOI : 10,1103 / PhysRevX.10.031039 . Текст и изображения доступны по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
  18. Перейти ↑ Caldwell, A. (2016). «Путь к пробуждению: эволюция концепции» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел A . 829 : 3–16. arXiv : 1511.09032 . Bibcode : 2016NIMPA.829 .... 3C . DOI : 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. Sci . 30 (4): 3241–3243. Bibcode : 1983ITNS ... 30.3241K . DOI : 10.1109 / TNS.1983.4336628 .
  20. ^ Розенцвейг, JB; и другие. (4 июля 1988 г.). "Экспериментальное наблюдение кильватерного ускорения плазмы" . Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 61 (1): 98–101. Bibcode : 1988PhRvL..61 ... 98R . DOI : 10.1103 / physrevlett.61.98 . ISSN 0031-9007 . PMID 10038703 .  
  21. ^ «SPARC_LAB (Источники для плазменных ускорителей и радиационного комптона с лазером и лучом) на LNF» .
  22. ^ "DESY News: проект инновационного ускорителя производит первый пучок частиц" . Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Проверено 13 октября 2018 года .
  23. ^ "Источники света, управляемые лазерной плазмой" . ЛЮКС . Проверено 23 октября 2017 .
  • Джоши, К. (2006). «Плазменные ускорители». Scientific American . 294 (2): 40–47. Bibcode : 2006SciAm.294b..40J . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0206-40 . PMID  16478025 .
  • Кацулеас, Т. (2004). «Физика ускорителя: на следе от лазера висят десять электронов». Природа . 431 (7008): 515–516. Bibcode : 2004Natur.431..515K . DOI : 10.1038 / 431515a . PMID  15457239 .
  • Joshi, C .; Кацулеас, Т. (2003). «Плазменные ускорители на границе энергии и на столешницах». Физика сегодня . 56 (6): 47–51. Bibcode : 2003PhT .... 56f..47J . DOI : 10.1063 / 1.1595054 .
  • Джоши, К. и Малка, В. (2010). «Сосредоточьтесь на лазерных и управляемых лучом плазменных ускорителях» . Новый журнал физики . 12 (4): 045003. DOI : 10,1088 / 1367-2630 / 12/4/045003 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Plasma Wakefield Acceleration - Руководство
  • На плазменной волне будущего