Accelerația plasmatică

Accelerarea plasmatică se referă la un set de tehnici pentru accelerarea particulelor încărcate , cum ar fi electroni , ioni sau pozitroni , prin intermediul câmpurilor electrice ridicate create într-o plasmă . Astfel de tehnici ar putea ajuta la dezvoltarea unei tehnologii pentru construirea acceleratoarelor de particule de dimensiuni mai mici decât acceleratoarele convenționale, care utilizează câmpuri electrice excitate în cavitățile metalice pentru a accelera particulele încărcate. Aplicațiile acestei tehnologii inovatoare de accelerare a particulelor ar fi numeroase, variind de la medicamente (surse de radiație betatron sau lasere electronice libere pentru diagnosticare sau radioterapie , surse de hadroni pentru hadrontterapie ) până la fizica energiei ridicate (colizori mai compacți).

Descriere

Ideea din spatele tehnicilor de accelerare a plasmei electronice, propusă inițial de Toshiki Tajima și John M. Dawson în 1979 ^[1] este de a crea o perturbare (numită driver) în neutralitatea de încărcare a unei plasme prin intermediul impulsurilor laser ultra-ridicate. raze scurte (modele de accelerație a plasmei acționate cu laser) sau fascicule de particule încărcate relativiste (modele de accelerație a plasmei acționate cu fascicul); în urma acestei perturbații, se creează unde de plasmă, ale căror câmpuri electrice pot fi apoi utilizate pentru a accelera pachete de particule încărcate (numite martori) injectate corespunzător în unda creată. O analogie frecventă este cea a unui surfer care încearcă să accelereze călărind pe valurile de trezire ale unei bărci în mare.

Reprezentarea versiunii originale a schemei acționate de grindă numită Accelerarea câmpului de veghe în plasmă (PWFA). Punctele albastre și roșii reprezintă electronii și respectiv ionii plasmei. Elipsele violete reprezintă pachete relativiste de electroni conducători și martori injectați în plasmă. Electronii din plasmă se îndepărtează de șofer pe măsură ce avansează prin plasmă, creând o zonă de încărcare pozitivă în spatele acesteia. Forța de rechemare a acestor încărcări pozitive atrage electronii respinși de șofer, închizând conturul unei bule în urma șoferului. Perturbarea astfel creată induce crearea altor bule pentru a o urma pe cea care conține driverul. Săgețile verzi indică direcția și direcția câmpului electric care se formează. Martorul pachetului de electroni, care urmează șoferul, este accelerat de câmpul de trezire electrică care se formează în bula de ioni. În schemele de accelerare a plasmei acționate cu laser, rolul conducătorului auto este asumat de un impuls laser ultra-scurt.

O estimare a câmpurilor electrice maxime care pot fi susținute de undele plasmatice și, prin urmare, a gradienților maximi realizabili prin aceste tehnici de accelerație, este dată de limita non-relativistă de rupere a undelor ca o aproximare a plasmei reci. Se calculează presupunând o dispersie termică neglijabilă a vitezei particulelor care alcătuiesc plasma în comparație cu viteza caracteristică a oscilațiilor coerente ale electronilor care o compun, de unde și denumirea de aproximare a plasmei reci. În această aproximare, câmpul electric durabil maxim al undei într-un regim liniar înainte de rupere poate fi estimat egal cu ^[2] ^[3] :

E_{cold,wb}[V/m]={\frac {m_{e}\omega _{p}c}{e}}\approx 96{\sqrt {n_{0}[cm^{-3}]}}.

{\ displaystyle E_ {cold, wb} [V / m] = {\ frac {m_ {e} \ omega _ {p} c} {e}} \ approx 96 {\ sqrt {n_ {0} [cm ^ { -3}]}}.}

{\ displaystyle E_ {cold, wb} [V / m] = {\ frac {m_ {e} \ omega _ {p} c} {e}} \ approx 96 {\ sqrt {n_ {0} [cm ^ { -3}]}}.}

,

unde este $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ este viteza luminii în vid, $m_{e}$ ${\ displaystyle m_ {e}}$ $eu insumi}$ este masa electronului, $\omega _{p}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p}}$ $\ omega _ {p}$ este frecvența plasmatică , care se extinde ca rădăcina densității inițiale a plasmei. Cu o densitate inițială de $n_{0}=10^{18}cm^{-3}$ ${\ displaystyle n_ {0} = 10 ^ {18} cm ^ {- 3}}$ ${\ displaystyle n_ {0} = 10 ^ {18} cm ^ {- 3}}$ pantele maxime de aprox $100GV/m$ ${\ displaystyle 100GV / m}$ ${\ displaystyle 100GV / m}$ , de cel puțin două ordine de mărime mai mari decât cele obținute cu tehnologiile convenționale de accelerație, limitate de limita de avarie a cavităților metalice. Această estimare este destul de pesimistă în regimurile de interes pentru accelerarea plasmei. Luând în considerare neliniaritățile din regimurile relativiste ale oscilațiilor plasmatice în aceste tehnici de accelerație, menținând aproximarea plasmei reci, obținem o limită relativistă de rupere a undelor ^[2] ^[3] :

E_{cold,rel,wb}[V/m]={\sqrt {2(\gamma _{g}-1)}}{\frac {m_{e}\omega _{p}c}{e}}.

{\ displaystyle E_ {cold, rel, wb} [V / m] = {\ sqrt {2 (\ gamma _ {g} -1)}} {\ frac {m_ {e} \ omega _ {p} c} {Și}}.}

{\ displaystyle E_ {cold, rel, wb} [V / m] = {\ sqrt {2 (\ gamma _ {g} -1)}} {\ frac {m_ {e} \ omega _ {p} c} {Și}}.}

,

unde este $\gamma _{g}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {g}}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {g}}$ este factorul Lorentz asociat cu viteza de grup a undelor plasmatice, egală cu viteza impulsului laser sau a fasciculului de particule conducătoare. Accelerarea cu plasmă își propune să înlocuiască tehnicile convenționale de accelerație, creând acceleratoare mai compacte datorită unor astfel de gradienți de accelerație mari. Deși au fost demonstrate experimental, de exemplu în celebrul experiment SLAC realizat de I. Blumenfeld și colab. ^[4] , calitatea fasciculelor de particule accelerate de plasmă (în termeni de emisie | emisie, luminozitate, dispersie a energiei și eficiență) este nu este încă comparabilă cu cea realizată în colizori sau în surse de radiații care utilizează tehnici convenționale de accelerație, deși progresul în această direcție este încurajator ^[5] ^[6] .

Scheme bazate pe laser

În articolul în care a fost propusă ideea accelerării plasmei, T.Tajima și JM Dawson ^{[1] au} discutat despre cele două scheme principale de accelerare a plasmei care utilizează impulsuri laser intense $(\gtrsim 10^{17}W/cm^{2})$ ${\ displaystyle (\ gtrsim 10 ^ {17} W / cm ^ {2})}$ ${\ displaystyle (\ gtrsim 10 ^ {17} W / cm ^ {2})}$ pentru a excita undele plasmatice. Astăzi cele două scheme se numesc ^[7]

Accelerarea câmpului de veghe cu laser (LWFA) : driverul de undă cu plasmă constă dintr-un singur impuls laser, de preferință de lungime $L\approx \lambda _{p}$ ${\ displaystyle L \ approx \ lambda _ {p}}$ ${\ displaystyle L \ approx \ lambda _ {p}}$ , unde este $\lambda _{p}=2\pi /\omega _{p}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {p} = 2 \ pi / \ omega _ {p}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {p} = 2 \ pi / \ omega _ {p}}$ este lungimea de undă a plasmei.
Accelerarea Plasma Beat-Wave (LBWA) : folosește două impulsuri laser lungi de frecvențe diferite, a căror bătăi generează o componentă la frecvența plasmei $\omega _{p}$ ${\ displaystyle \ omega _ {p}}$ $\ omega _ {p}$ , excitând rezonant unda de plasmă dorită. Această schemă a fost propusă de T. Tajima și Dawson ca alternativă la LWFA, deoarece tehnologia care a permis crearea de impulsuri laser intense și ultra-scurte nu era încă disponibilă în 1979.

Schemele de accelerare a plasmei conduse de laser suferă de unele dificultăți inerente în utilizarea simultană a laserelor și a particulelor relativiste în mecanismul de accelerație. Pulsul laser tinde să se difracteze în plasmă, iar viteza sa de grup va fi întotdeauna mai mare decât cea a particulelor accelerate care îl urmează, determinându-le să piardă sincronizarea corectă cu faza de accelerare a undei plasmatice (fenomen numit defazare). Aceste dificultăți limitează lungimea efectivă a accelerației și, prin urmare, câștigurile maxime de energie realizabile cu schemele acționate cu laser. Principalul avantaj al schemelor acționate cu laser este compacitatea lor, deoarece (spre deosebire de schemele acționate cu fascicul), acestea nu necesită o linie convențională de accelerație pentru a produce particulele care urmează să fie accelerate, atâta timp cât sunt preluate direct din plasmă prin mecanisme de auto-injecție. (autoinjecție) i de injecție controlată (injecție declanșată) ^[7] .

Scheme bazate pe grinzi

Pentru a depăși limitările câștigurilor energetice ale schemelor acționate cu laser, sa propus excitarea undelor plasmatice prin intermediul pachetelor de particule încărcate relativiste. În special, P. Chen a propus ^[8] schema numită:

Accelerarea câmpului de veghe în plasmă (PWFA) : Undele plasmatice sunt excitate de un pachet de particule încărcate relativiste injectate în plasmă, după care un pachet de particule martor poate fi injectat în mod corespunzător pentru a fi accelerat. Ideea propusă inițial pentru PWFA de a accelera pachetele de electroni cu unde excitate de pachetele de electroni a dat naștere mai multor variante, numite și PWFA, cum ar fi utilizarea sa pentru accelerarea pozitronului sau excitația undelor plasmatice de către pachetele de pozitroni. De asemenea, sunt incluse în PWFA experimente în care un driver lung este injectat în plasmă și o parte din particulele sale, care se află în faza de accelerare a câmpului, sunt accelerate ^[4] . În această variantă, pachetul de particule injectate acționează atât ca motor, cât și ca martor. Folosirea pachetelor separate de șofer și martor duce la o calitate superioară a fasciculului accelerat de particule. O altă variantă propusă constă în excitarea undelor plasmatice într-o manieră rezonantă prin intermediul unui fascicul de electroni asemănător pieptene, constând din pachete de electroni distanțați corespunzător ^[9] .

Deși schemele bazate pe fascicul pot produce câștiguri mai mari de energie și pot avea mai puține probleme de sincronizare între șofer și martor decât schemele bazate pe laser, ele au dezavantajul evident de a avea nevoie de un sistem convențional de accelerație pentru a produce pachetele șofer și martor. (Care trebuie să aibă viteze relativiste ), cu cerințele de spațiu consecvente dictate de această structură.

Notă

^ ^a ^b T. Tajima și JM Dawson. 1979. Laser Electron Accelerator. Fizic. Rev. Lett. 43: 267-270 DOI : 10.1103 / PhysRevLett.43.267
^ ^a ^b RJ Noble. 1983. Accelerator Plasma Beat-Wave. SLAC-PUB-3149
^ ^a ^b A. Macchi. 2013. A Laser Superintense - Plasma Interaction Theory Primer. Springer
^ ^a ^b I. Blumenfeld și colab. 2007. Dublarea energiei a 42 de electroni GeV într-o scară de metru. SLAC-PUB-12363
^ V. Malka și colab. 2007. Fascicul de electroni monoenergetici GeV cu accelerator cu plasmă laser. Int. J. Mod. Phys. B 21, 277. DOI: 10.1142 / S0217979207042057
^ M. Litos și colab. 2014. Accelerarea de înaltă eficiență a unui electron beamin un accelerator de câmp de veghe cu plasmă. Nature 515.92-95 doi: 10.1038 / nature13882
^ ^a ^b E. Esarey, CB Schroeder, WP Leemans. 2009. Fizica acceleratoarelor de electroni pe bază de plasmă acționate cu laser. Rev. Mod. Phys. 81, 1229
^ P. Chen. 1984. Accelerarea electronilor prin interacțiunea unui fascicul de electroni grupat cu o plasmă. 3487. SLAC-PUB
^ M. Ferrario și colab. 2013. SPARC_LAB prezent și viitor. Nucl. Inst. și Meth. B 309, 183-188

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Accelerarea Plasmei

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[M._Dawson_1979-1] T. Tajima și JM Dawson. 1979. Laser Electron Accelerator. Fizic. Rev. Lett. 43: 267-270 DOI : 10.1103 / PhysRevLett.43.267

[J._Noble_1983-2] RJ Noble. 1983. Accelerator Plasma Beat-Wave. SLAC-PUB-3149

[A._Macchi_2013-3] A. Macchi. 2013. A Laser Superintense - Plasma Interaction Theory Primer. Springer

[I._Blumenfeld_2007-4] I. Blumenfeld și colab. 2007. Dublarea energiei a 42 de electroni GeV într-o scară de metru. SLAC-PUB-12363

[5] V. Malka și colab. 2007. Fascicul de electroni monoenergetici GeV cu accelerator cu plasmă laser. Int. J. Mod. Phys. B 21, 277. DOI: 10.1142 / S0217979207042057

[6] M. Litos și colab. 2014. Accelerarea de înaltă eficiență a unui electron beamin un accelerator de câmp de veghe cu plasmă. Nature 515.92-95 doi: 10.1038 / nature13882

[E._Esarey,_C._B_2009-7] E. Esarey, CB Schroeder, WP Leemans. 2009. Fizica acceleratoarelor de electroni pe bază de plasmă acționate cu laser. Rev. Mod. Phys. 81, 1229

[8] P. Chen. 1984. Accelerarea electronilor prin interacțiunea unui fascicul de electroni grupat cu o plasmă. 3487. SLAC-PUB

[9] M. Ferrario și colab. 2013. SPARC_LAB prezent și viitor. Nucl. Inst. și Meth. B 309, 183-188

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]