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 структуры ускорения плазмы создаются с использованием либо ультракоротких лазерных импульсов, либо пучков энергичных частиц, согласованных с параметрами плазмы . Эта технология открывает путь к созданию доступных и компактных ускорителей частиц .
Как только эта технология будет полностью разработана, она сможет заменить многие традиционные ускорители в приложениях, начиная от физики высоких энергий и заканчивая медицинскими и промышленными применениями. Медицинские применения включают бетатронные источники света и источники света на свободных электронах для диагностики или лучевой терапии , а также источники протонов для адронной терапии .
Основные концепции ускорения плазмы и его возможности были первоначально разработаны Тошики Тадзимой и Джоном М. Доусоном из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1979 году . [2]
Лазерная установка Техасского петаватта в Техасском университете в Остине ускорила электроны до энергии 2 ГэВ на расстоянии примерно 2 см (1,6×10 21 г н ). [3] Этот рекорд был побит (более чем в два раза) в 2014 году учёными Центра БЕЛЛА Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли , когда они произвели электронные пучки до 4,25 ГэВ. [4]
В конце 2014 года исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, использующие Центр экспериментальных испытаний усовершенствованных ускорителей (FACET), опубликовали доказательства жизнеспособности технологии плазменного ускорения. Было показано, что он способен обеспечить передачу энергии в 400–500 раз выше по сравнению с обычной конструкцией линейного ускорителя. [5] [6]
В настоящее время в ЦЕРНе проводится эксперимент по проверке принципа действия плазменного ускорителя кильватерного поля с использованием пучка протонов с энергией 400 ГэВ от суперпротонного синхротрона . [7] Эксперимент под названием AWAKE стартовал 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]
Плазма состоит из жидкости, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц, обычно создаваемой путем нагревания или фотоионизации (прямой / туннельной / многофотонной / подавления барьеров) разбавленного газа. В нормальных условиях плазма будет макроскопически нейтральной (или квазинейтральной), представляющей собой равное количество 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 отделяться от массивных ионов, создавая дисбаланс зарядов в возмущенных ионах. область, край. Частица, инжектированная в такую плазму, будет ускоряться полем разделения зарядов, но поскольку величина этого разделения обычно аналогична величине внешнего поля, по-видимому, ничего не получается по сравнению с обычной системой, которая просто прикладывает поле непосредственно к частица. Но плазменная среда выступает наиболее эффективным (известным на данный момент) преобразователем поперечного поля электромагнитной волны в продольные поля плазменной волны. В существующих ускорительных технологиях используются различные специально разработанные материалы для преобразования чрезвычайно интенсивных полей, распространяющихся в поперечном направлении, в продольные поля, от которых частицы могут получить удар. Этот процесс достигается с использованием двух подходов: структур стоячей волны (например, резонансных резонаторов) или структур бегущей волны, таких как волноводы с дисками и т. д. Но ограничением материалов, взаимодействующих со все более и более сильными полями, является то, что они в конечном итоге разрушаются из-за ионизация и пробой. Здесь наука о плазменных ускорителях обеспечивает прорыв в создании, поддержании и использовании самых сильных полей, когда-либо созданных наукой в лаборатории.
Градиент ускорения, создаваемый плазменным следом, имеет порядок поля обрушения волны, которое
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 аналогично концепции бегущей волны в обычном ускорителе. Таким образом, ускоритель синхронизирует фазу сгустка частиц на волне, и эта нагруженная волна пространственного 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 из центра следа под действием пондеромоторной силы или электростатических полей возбуждающих полей (электронных или лазерных). Ионы плазмы слишком массивны, чтобы существенно двигаться, и предполагается, что они стационарны во временных масштабах 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, где они находились первоначально в невозбужденной плазме. При этом образуется полный след чрезвычайно сильного продольного (ускоряющего) и поперечного (фокусирующего) электрического поля. Положительный заряд 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, находящиеся между этими двумя областями, будут ускоряться (по механизму самоинжекции). В схемах инжекции внешнего сгустка электроны стратегически инжектируются так, чтобы достичь вакуумированной области во время максимального отклонения или вытеснения электронов плазмы.
След, управляемый лучом, можно создать, отправив релятивистский сгусток протонов или электронов в соответствующую плазму или газ. [14] 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 высоким зарядом и, следовательно, сильными полями. Сильные поля электронного сгустка затем выталкивают электроны плазмы из центра, создавая след.
Подобно лучевому следу, для возбуждения плазменного следа можно использовать лазерный импульс. Когда импульс проходит через плазму, электрическое поле света разделяет электроны и нуклоны так же, как это делало бы 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 «пузырь» заряда движется через плазму со скоростью, близкой к скорости света. Пузырь — это область, очищенная от электронов и, таким образом, заряженная положительно, за которой следует область, где электроны падают обратно в центр и, таким образом, заряжены отрицательно. Это приводит к образованию 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 выброса, и физика ускорения такая же.
Именно это «следовое поле» используется для ускорения частиц. Частица, инжектированная в плазму вблизи 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 высоких энергий можно достичь, введя частицу в движение по поверхности кильватерного поля, подобно тому, как серфер может путешествовать со скоростью, намного превышающей скорость волны, на которой он серфит, пересекая ее. Ускорители, разработанные с использованием этой технологии, в просторечии называются «сурфатронами».
В зависимости от того, как формируется электронная плазменная волна, кильватерное ускорение можно разделить на несколько типов:
Ускорение ионов на основе лазера и твердой мишени стало активной областью исследований, особенно после открытия целевого ускорения нормальной оболочки (TNSA). [16] Эта новая схема предлагает дальнейшие улучшения в адронной терапии , [17] термоядерном синтезе [18] и источниках для фундаментальных исследований. [19] Тем не менее, максимальные энергии, достигнутые на данный момент с помощью этой схемы, составляют порядка 100 МэВ. [20]
Основная схема лазерно-твердого ускорения — это Target Normal Sheath Acceleration, TNSA, как ее обычно называют. TNSA, как и другие методы лазерного ускорения, не способен непосредственно ускорять ионы. Вместо этого это многоэтапный процесс, состоящий из нескольких этапов, каждый из которых связан со сложностью математического моделирования. По этой причине до сих пор не существует идеальной теоретической модели, способной дать количественные предсказания механизма TNSA. [19] Для эффективного прогнозирования обычно используется моделирование частиц в ячейках .
В схеме используется твердая мишень, которая сначала взаимодействует с лазерным предымпульсом, при этом ионизирует мишень, превращая ее в плазму и вызывая предварительное расширение фронта мишени. В результате образуется область недостаточной плотности плазмы перед мишенью, так называемая преплазма. Как только основной лазерный импульс достигнет фронта мишени, он будет распространяться через эту область пониженной плотности и отражаться от передней поверхности мишени, распространяясь обратно через предплазму. В ходе этого процесса лазер нагревал электроны в нижней области и ускорял их посредством стохастического нагрева. [21] Этот процесс нагревания невероятно важен, поскольку создание высокотемпературных популяций электронов является ключевым моментом для следующих этапов процесса. Важность преплазмы в процессе нагрева электронов недавно была изучена как теоретически, так и экспериментально, показывая, как более длинные преплазмы приводят к более сильному нагреву электронов и усилению TNSA. [22] Горячие электроны распространяются через твердую мишень и выходят из нее через задний конец. При этом электроны создают невероятно сильное электрическое поле порядка ТВ/м [19] посредством разделения зарядов. Это электрическое поле, называемое также полем оболочки из-за его сходства с формой ножен меча, отвечает за ускорение ионов. На задней стороне мишени имеется небольшой слой загрязнений (обычно легких углеводородов и паров воды). Эти загрязнения ионизируются сильным электрическим полем, создаваемым горячими электронами, а затем ускоряются. Это приводит к образованию энергичного ионного пучка и завершает процесс ускорения.
Ответственным за остроконечный, быстрый ионный фронт расширяющейся плазмы является процесс разрушения ионной волны, который имеет место на начальной фазе эволюции и описывается уравнением Сака-Шамеля . [23]
Преимущество ускорения плазмы состоит в том, что его поле ускорения может быть намного сильнее, чем у обычных радиочастотных (РЧ) ускорителей . В ВЧ-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 свойствами и турбулентностью, но обычно оно на несколько порядков сильнее, чем в ВЧ-ускорителях. Есть надежда, что на основе методов плазменного ускорения можно будет создать компактный ускоритель частиц или построить ускорители на гораздо более высокую энергию, если удастся реализовать длинные ускорители 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 [24] против 0,1 ГэВ/м для ВЧ-ускорителя [25] ) на масштаб один метр.
Например, экспериментальный лазерно-плазменный ускоритель в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли ускоряет электроны до энергии 1 ГэВ на расстоянии около 3,3 см (5,4×10 20 г н ), [26] , а один обычный ускоритель (ускоритель с самой высокой энергией электронов) в SLAC требует 64 м для достичь одной и той же энергии. Аналогичным образом, при использовании плазмы выигрыш в энергии более 40 ГэВ был достигнут с помощью пучка СЖК SLAC (42 ГэВ) всего за 85 см с использованием плазменного ускорителя кильватерного поля (8,9×10 20 г н ). [27]