stringtranslate.com

Ускорение плазмы

Ускорение плазмы — это метод ускорения заряженных частиц , таких как электроны или ионы , с использованием электрического поля , связанного с электронной плазменной волной или другими высокоградиентными плазменными структурами . Эти плазменные ускоряющие структуры создаются с использованием либо ультракоротких лазерных импульсов, либо пучков энергичных частиц, которые подбираются под параметры плазмы . Метод предлагает способ создания доступных и компактных ускорителей частиц .

После полной разработки технология может заменить многие традиционные ускорители с приложениями от физики высоких энергий до медицинских и промышленных приложений. Медицинские приложения включают бетатронные и свободные электронные источники света для диагностики или лучевой терапии и протонные источники для адронной терапии .

История

Основные концепции ускорения плазмы и его возможностей были первоначально задуманы Тошики Таджимой и Джоном М. Доусоном из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1979 году. [1] Первоначальные экспериментальные проекты ускорителя с «кильватерным полем» были задуманы в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Чандрашекхаром Дж. Джоши и др. [2]

Лазерная установка Texas Petawatt в Техасском университете в Остине разогнала электроны до 2 ГэВ на расстоянии около 2 см (1,6×1021 г n ) . [3] Этот рекорд был побит (более чем в два раза) в 2014 году учеными из Центра BELLA Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли , когда они создали электронные пучки до 4,25 ГэВ. [4]

В конце 2014 года исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, использующие Установку для экспериментальных испытаний усовершенствованных ускорителей (FACET), опубликовали доказательство жизнеспособности технологии плазменного ускорения. Было показано, что она способна достичь в 400–500 раз более высокой передачи энергии по сравнению с обычной конструкцией линейного ускорителя. [5] [6]

В настоящее время в ЦЕРНе проводится экспериментальный эксперимент по проверке принципа действия плазменного кильватерного ускорителя с использованием пучка протонов с энергией 400 ГэВ из суперпротонного синхротрона . [7] Эксперимент под названием AWAKE начался в конце 2016 года. [8]

В августе 2020 года ученые сообщили о достижении важной вехи в разработке лазерно-плазменных ускорителей и продемонстрировали их самую длительную стабильную работу — 30 часов. [9] [10] [11] [12] [13]

Концепция

Ускорение Вейкфилда

Плазма состоит из жидкости положительно и отрицательно заряженных частиц, обычно создаваемой путем нагрева или фотоионизации (прямой / туннельной / многофотонной / подавления барьеров) разреженного газа. При нормальных условиях плазма будет макроскопически нейтральной (или квазинейтральной), равной смесью электронов и ионов в равновесии. Однако, если приложено достаточно сильное внешнее электрическое или электромагнитное поле, электроны плазмы, которые очень легки по сравнению с фоновыми ионами (в 1836 раз), будут пространственно отделяться от массивных ионов, создавая дисбаланс заряда в возмущенной области. Частица, инжектированная в такую ​​плазму, будет ускоряться полем разделения зарядов, но поскольку величина этого разделения в целом аналогична величине внешнего поля, по-видимому, ничего не выигрывает по сравнению с обычной системой, которая просто прикладывает поле непосредственно к частице. Но плазменная среда действует как наиболее эффективный трансформатор (из известных в настоящее время) поперечного поля электромагнитной волны в продольные поля плазменной волны. В существующей технологии ускорителей используются различные соответствующим образом спроектированные материалы для преобразования поперечно распространяющихся чрезвычайно интенсивных полей в продольные поля, от которых частицы могут получить толчок. Этот процесс достигается с помощью 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 более и более сильными полями, заключается в том, что они в конечном итоге разрушаются из-за ионизации и пробоя. Здесь наука о плазменных ускорителях обеспечивает прорыв для создания, поддержания и использования самых высоких полей, когда-либо созданных в лаборатории.

След, создаваемый электронным пучком в плазме

Градиент ускорения, создаваемый плазменным следом, имеет порядок поля обрушения волны, который равен

В этом уравнении — электрическое поле , — скорость света в вакууме, — масса электрона , — плотность электронов плазмы (в частицах на единицу объема), — диэлектрическая проницаемость свободного пространства .

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 заряженная волна пространственного заряда ускоряет их до более высоких скоростей, сохраняя при этом свойства сгустка. В настоящее время плазменные следы возбуждаются соответствующим образом сформированными лазерными импульсами или электронными сгустками. Плазменные электроны выталкиваются из центра следа пондеромоторной силой или электростатическими полями от возбуждающих полей (электронных или лазерных). Ионы плазмы слишком массивны, чтобы значительно перемещаться, и предполагаются неподвижными в масштабах времени реакции плазменных электронов на возбуждающие поля. Когда возбуждающие поля проходят через плазму, плазменные электроны испытывают огромную силу притяжения обратно к центру следа со стороны камеры положительных плазменных ионов, пузырька или столба, которые остались там, как они были изначально в невозбужденной плазме. Это формирует полный след чрезвычайно высокого продольного (ускоряющего) и поперечного (фокусирующего) электрического поля. Положительный заряд от ионов в области разделения зарядов затем создает огромный градиент между задней частью следа, где находится много электронов, и серединой следа, где находятся в основном ионы. Любые электроны между этими двумя областями будут ускорены (в механизме самоинжекции). В схемах внешней инжекции пучка электроны стратегически инжектируются для достижения эвакуированной области во время максимального разгона или выталкивания плазменных электронов.

Пучковый след может быть создан путем отправки релятивистского протонного или электронного пучка в соответствующую плазму или газ. [14] В некоторых случаях газ может быть ионизирован электронным пучком, так что электронный пучок создает как плазму, так и след. Для этого требуется электронный пучок с относительно высоким зарядом и, следовательно, сильными полями. Затем сильные поля электронного пучка выталкивают электроны плазмы из центра, создавая след.

Подобно следу, управляемому лучом, лазерный импульс может быть использован для возбуждения плазменного следа. Когда импульс проходит через плазму, электрическое поле света разделяет электроны и нуклоны таким же образом, как это сделало бы внешнее поле.

Если поля достаточно сильны, все ионизированные электроны плазмы могут быть удалены из центра следа: это известно как «режим выброса». Хотя частицы не движутся очень быстро в этот период, макроскопически кажется, что «пузырь» заряда движется через плазму со скоростью, близкой к скорости света. Пузырь — это область, очищенная от электронов, которая, таким образом, заряжена положительно, за которой следует область, где электроны падают обратно в центр и, таким образом, заряжены 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 линейное уравнение плазменной волны. Однако след выглядит очень похожим на режим выдувания, и физика ускорения та же самая.

Именно это «кильвовное поле» используется для ускорения частиц. Частица, инжектированная в плазму вблизи области высокой плотности, будет испытывать ускорение по направлению к ней (или от нее), ускорение, которое продолжается по мере того, как кильвовное поле проходит через колонну, пока частица в конечном итоге не достигнет скорости кильвовного поля. Еще более высокие энергии могут быть достигнуты путем инжекции частицы для перемещения по поверхности кильвовного поля, подобно тому, как серфер может перемещаться со скоростью, намного превышающей скорость волны, на которой он скользит, перемещаясь по ней. Ускорители, разработанные для использования этой техники, в разговорной речи называются «серфотронами».

Ускорение кильватерного поля можно разделить на несколько типов в зависимости от того, как формируется электронная плазменная волна:

Вот некоторые эксперименты: [16]

Цель нормального ускорения оболочки

Ускорение ионов с использованием лазера и твердотельной мишени стало активной областью исследований, особенно после открытия ускорения мишени в нормальной оболочке (TNSA). [17] Эта новая схема предлагает дальнейшие усовершенствования в адронной терапии , [18] быстром зажигании термоядерного синтеза [19] и источниках для фундаментальных исследований. [20] Тем не менее, максимальные энергии, достигнутые до сих пор с помощью этой схемы, составляют порядка 100 МэВ. [21]

Основная схема ускорения лазера в твердом теле — это Target Normal Sheath Acceleration, TNSA, как ее обычно называют. TNSA, как и другие методы ускорения на основе лазера, не способна напрямую ускорять ионы. Вместо этого это многоступенчатый процесс, состоящий из нескольких этапов, каждый из которых имеет свою сложность для математического моделирования. По этой причине до сих пор не существует идеальной теоретической модели, способной производить количественные прогнозы для механизма TNSA. [20] Моделирование частиц в ячейках обычно используется для эффективного получения прогнозов.

Схема использует твердую мишень, которая сначала взаимодействует с лазерным предымпульсом, это ионизирует мишень, превращая ее в плазму и вызывая предварительное расширение фронта мишени. Что создает область разреженной плазмы спереди мишени, так называемую преплазму. Как только основной лазерный импульс достигает фронта мишени, он затем распространяется через эту область разреженной плотности и отражается от передней поверхности мишени, распространяясь обратно через преплазму. На протяжении всего этого процесса лазер нагревает электроны в области разреженной плотности и ускоряет их посредством стохастического нагрева. [22] Этот процесс нагрева невероятно важен, создание высокотемпературной популяции электронов является ключевым для следующих этапов процесса. Важность преплазмы в процессе нагрева электронов недавно изучалась как теоретически, так и экспериментально, показывая, как более длинные преплазмы приводят к более сильному нагреву электронов и улучшению TNSA. [23] Горячие электроны распространяются через твердую мишень и выходят из нее через задний конец. При этом электроны создают невероятно сильное электрическое поле, порядка ТВ/м, [20] посредством разделения зарядов. Это электрическое поле, также называемое полем оболочки из-за его сходства с формой ножен меча, отвечает за ускорение ионов. На задней поверхности мишени находится небольшой слой загрязняющих веществ (обычно легкие углеводороды и водяной пар). Эти загрязняющие вещества ионизируются сильным электрическим полем, создаваемым горячими электронами, а затем ускоряются. Что приводит к образованию энергичного ионного пучка и завершает процесс ускорения.

За острый, быстрый ионный фронт расширяющейся плазмы отвечает процесс разрушения ионной волны, который происходит на начальном этапе эволюции и описывается уравнением Сака-Шамеля . [24]

Сравнение с ускорением RF

Преимущество плазменного ускорения заключается в том, что его поле ускорения может быть намного сильнее, чем у обычных радиочастотных (РЧ) ускорителей . В РЧ-ускорителях поле имеет верхний предел, определяемый порогом диэлектрического пробоя ускорительной трубки. Это ограничивает величину ускорения на любой заданной длине, требуя очень длинных ускорителей для достижения высоких энергий. Напротив, максимальное поле в плазме определяется механическими качествами и турбулентностью, но, как правило, на несколько порядков сильнее, чем в РЧ-ускорителях. Есть надежда, что компактный ускоритель частиц может быть создан на основе методов плазменного ускорения или могут быть построены ускорители для гораздо более высоких энергий, если длинные ускорители будут реализованы с ускоряющим полем 10 ГВ/м.

Современные экспериментальные устройства демонстрируют градиенты ускорения на несколько порядков лучше, чем современные ускорители частиц на очень коротких расстояниях, и примерно на один порядок лучше (1 ГэВ /м [25] против 0,1 ГэВ/м для радиочастотного ускорителя [26] ) на расстоянии одного метра.

Например, экспериментальный лазерный плазменный ускоритель в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли ускоряет электроны до 1 ГэВ на расстоянии около 3,3 см (5,4×10 20 г n ), [27] а один обычный ускоритель (ускоритель с самой высокой энергией электронов) в SLAC требует 64 м для достижения той же энергии. Аналогично, используя плазму, прирост энергии более 40 ГэВ был достигнут с использованием пучка SLC SLAC (42 ГэВ) всего за 85 см с использованием плазменного кильватерного ускорителя (8,9×10 20 г n ). [28]

Смотрите также

Ссылки

  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, К.; Мори, В. Б.; Катсулеас, Т.; Доусон, Дж. М.; Киндел, Дж. М.; Форслунд, Д. В. (1984). «Ускорение частиц сверхвысокого градиента интенсивными волнами плотности плазмы, возбуждаемыми лазером». Nature . 311 (5986): 525–529. Bibcode :1984Natur.311..525J. doi :10.1038/311525a0. S2CID  4361301.
  3. ^ Ван, Сяомин и др. (11 июня 2013 г.). «Квазимоноэнергетическое лазерно-плазменное ускорение электронов до 2 ГэВ». Nature Communications . 4 (1). Springer Nature: 1988. Bibcode :2013NatCo...4.1988W. doi :10.1038/ncomms2988. ISSN  2041-1723. PMC 3709475 . PMID  23756359. 
  4. ^ Leemans, WP; et al. (8 декабря 2014 г.). "Multi-GeV Electron Beams from Capillary-Discharge-Guided Subpetawatt Laser Pulses in the Self-tratting Mode". Physical Review Letters . 113 (24). Американское физическое общество (APS): 245002. Bibcode : 2014PhRvL.113x5002L. doi : 10.1103/physrevlett.113.245002 . ISSN  0031-9007. PMID  25541775.
  5. ^ Литос, М.; и др. (2014). «Высокоэффективное ускорение электронного пучка в плазменном кильватерном ускорителе». Nature . 515 (7525). Springer Nature: 92–95. Bibcode :2014Natur.515...92L. doi :10.1038/nature13882. ISSN  0028-0836. OSTI  1463003. PMID  25373678. S2CID  4469182.
  6. ^ «Исследователи достигли важной вехи в ускорении частиц с помощью плазмы». Национальная ускорительная лаборатория SLAC. 5 ноября 2014 г.
  7. ^ Ассманн, Р.; и др. (2014). «Ускорение кильватерного поля плазмы, управляемое протонами: путь к будущему 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. S2CID  62802109. Получено 13 октября 2018 г.
  8. ^ "AWAKE: Making waves in accelerator technology" . Получено 20 июля 2017 г. .
  9. ^ "Мировой рекорд: плазменный ускоритель работает круглосуточно". phys.org . Получено 6 сентября 2020 г. .
  10. ^ "Запись: Längster Lauf eines Plasmabeschleunigers" . сцинекс | Das Wissensmagazin (на немецком языке). 21 августа 2020 г. Проверено 6 сентября 2020 г.
  11. ^ «Достигнут важный этап на пути к будущим ускорителям частиц». AZoM.com . 20 августа 2020 г. Получено 6 сентября 2020 г.
  12. ^ "Плазменные ускорители могут преодолеть ограничения по размеру Большого адронного коллайдера". phys.org . Получено 6 сентября 2020 г. .
  13. ^ Майер, Андреас Р.; Дельбос, Нильс М.; Айхнер, Тимо; Хюбнер, Ларс; Ялас, Сёрен; Йеппе, Лауридс; Джолли, Спенсер В.; Кирхен, Мануэль; Леру, Винсент; Месснер, Филипп; Шнепп, Маттиас; Трунк, 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. Bibcode : 2020PhRvX..10c1039M. doi : 10.1103/PhysRevX.10.031039 . Текст и изображения доступны по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  14. ^ Колдуэлл, А. (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. S2CID  42463366.
  15. ^ Katsouleas, T.; Dawson, JM (1983). "Ускоритель плазменных волн - Surfatron I". IEEE Trans. Nucl. Sci . 30 (4): 3241–3243. Bibcode :1983ITNS...30.3241K. doi :10.1109/TNS.1983.4336628. S2CID  41359956.
  16. ^ Гаристо, Дэниел (2019-03-14). "Потенциал ускорения плазменного кильватерного поля | журнал symmetry". www.symmetrymagazine.org . Получено 2024-03-22 .
  17. ^ Snavely, RA; Key, MH; Hatchett, SP; Cowan, TE; Roth, M.; Phillips, TW; Stoyer, MA; Henry, EA; Sangster, TC; Singh, MS; Wilks, SC (2000-10-02). "Интенсивные высокоэнергетические протонные пучки от облучения твердых тел петаваттным лазером". Physical Review Letters . 85 (14): 2945–2948. Bibcode : 2000PhRvL..85.2945S. doi : 10.1103/physrevlett.85.2945. ISSN  0031-9007. PMID  11005974.
  18. ^ Буланов, СВ; Есиркепов, Т.Ж; Хорошков, ВС; Кузнецов, АВ; Пегораро, Ф. (2002-07-01). "Онкологическая адронная терапия с использованием лазерных ионных ускорителей". Physics Letters A. 299 ( 2–3): 240–247. Bibcode :2002PhLA..299..240B. doi :10.1016/S0375-9601(02)00521-2. ISSN  0375-9601.
  19. ^ Roth, M.; Cowan, TE; Key, MH; Hatchett, SP; Brown, C.; Fountain, W.; Johnson, J.; Pennington, DM; Snavely, RA; Wilks, SC; Yasuike, K. (15.01.2001). «Быстрое зажигание интенсивными лазерно-ускоренными протонными пучками». Physical Review Letters . 86 (3): 436–439. Bibcode : 2001PhRvL..86..436R. doi : 10.1103/physrevlett.86.436. ISSN  0031-9007. PMID  11177849.
  20. ^ abc Рот, Маркус; Шоллмайер, Мариус (2013), Маккенна, Пол; Нили, Дэвид; Бингем, Роберт; Ярошинский, Дино (ред.), «Ускорение ионов: TNSA», Взаимодействие лазера и плазмы и его применение , Scottish Graduate Series, Гейдельберг: Springer International Publishing, стр. 303–350, Bibcode : 2013lpia.book..303R, doi : 10.1007/978-3-319-00038-1_12, ISBN 978-3-319-00038-1, получено 2021-06-10
  21. ^ Хиггинсон, А.; Грей, Р. Дж.; Кинг, М.; Дэнс, Р. Дж.; Уильямсон, С. Д. Р.; Батлер, Н. М. Х.; Уилсон, Р.; Капдессюс, Р.; Армстронг, К.; Грин, Дж. С.; Хоукс, С. Дж. (2018-02-20). "Протоны с энергией около 100 МэВ через гибридную схему ускорения с лазерным приводом и улучшенной прозрачностью". Nature Communications . 9 (1): 724. Bibcode :2018NatCo...9..724H. doi :10.1038/s41467-018-03063-9. ISSN  2041-1723. PMC 5820283 . PMID  29463872. 
  22. ^ Бурдье, А.; Патин, Д.; Лефевр, Э. (2005-06-15). «Стохастический нагрев при взаимодействии лазера и плазмы сверхвысокой интенсивности». Physica D: Nonlinear Phenomena . 206 (1–2): 1–31. doi :10.1016/j.physd.2005.04.017. ISSN  0167-2789. S2CID  20452990.
  23. ^ Гиззи, Леонида А.; Боэлла, Элизабетта; Лабате, Лука; Баффиджи, Федерика; Бильбао, Пабло Дж.; Брэнди, Фернандо; Кристофоретти, Габриэле; Фацци, Альберто; Фульджентини, Лоренцо; Джове, Дарио; Кестер, Петра (2 июля 2021 г.). «Улучшенное ускорение протонов с помощью лазера за счет улучшенного нагрева быстрых электронов в контролируемой предварительной плазме». Научные отчеты . 11 (1): 13728. arXiv : 2106.00814 . Бибкод : 2021NatSR..1113728G. дои : 10.1038/s41598-021-93011-3. ISSN  2045-2322. ПМЦ 8253820 . PMID  34215775. 
  24. ^ Ч. Сак и Х. Шамель, Расширение плазмы в вакуум — гидродинамический подход, Phys. Reports 156 (1987) 311-395 | doi:10.1016/0370-1573(87)90039-1|
  25. ^ Katsouleas, T.; et al. (1998). "Предложение об эксперименте по ускорению плазмы с кильватерным полем на 1 ГэВ в SLAC". Труды конференции по ускорителям частиц 1997 г. (Кат. № 97CH36167) . Том 1. IEEE. стр. 687–689. CiteSeerX 10.1.1.389.1097 . doi :10.1109/pac.1997.749806. ISBN  0-7803-4376-X.
  26. ^ Takeda, S; et al. (27 ноября 2014 г.). "Electron Linac Of Test Accelerator Facility For Linear collider" (PDF) . Часть. Accel . 30 : 153–159 . Получено 13 октября 2018 г. .
  27. ^ Leemans, WP; et al. (24 сентября 2006 г.). «ГэВ-ные электронные пучки из сантиметрового ускорителя». Nature Physics . 2 (10). Springer Nature: 696–699. Bibcode : 2006NatPh...2..696L. doi : 10.1038/nphys418 . ISSN  1745-2473.
  28. ^ Блюменфельд, Ян и др. (2007). «Удвоение энергии электронов с энергией 42 ГэВ в кильватерном ускорителе плазмы метрового масштаба». Nature . 445 (7129). Springer Nature: 741–744. Bibcode :2007Natur.445..741B. doi :10.1038/nature05538. ISSN  0028-0836. PMID  17301787. S2CID  4334568.

Внешние ссылки