Plasmaakselerasjon - Plasma acceleration

Plasmaakselerasjon er en teknikk for å akselerere ladede partikler , slik som elektroner , positroner og ioner , ved å bruke det elektriske feltet assosiert med elektronplasma-bølger eller andre plasmastrukturer med høy gradient (som støt og skjedefelt). Plasmaakselerasjons strukturene er opprettet enten ved hjelp av ultra-kort laser pulser eller energetiske partikler bjelker som er tilpasset de plasmaparametere. Disse teknikkene gir en måte å bygge høytytende partikkelakseleratorer av mye mindre størrelse enn konvensjonelle enheter. De grunnleggende begrepene plasmaakselerasjon og dens muligheter ble opprinnelig unnfanget av Toshiki Tajima og John M. Dawson fra UCLA i 1979. De første eksperimentelle designene for en "wakefield" -akselerator ble unnfanget ved UCLA av Chandrashekhar J. Joshi et al. Nåværende eksperimentelle enheter viser akselerasjonsgradienter flere størrelsesordener bedre enn nåværende partikkelakseleratorer over veldig korte avstander, og omtrent en størrelsesorden bedre (1 GeV / m vs 0,1 GeV / m for en RF-akselerator) på en målestokk.

Plasmaakseleratorer har et enormt løfte om innovasjon av rimelige og kompakte akseleratorer for forskjellige bruksområder, alt fra høyenergifysikk til medisinsk og industriell bruk. Medisinske anvendelser innbefatter betatron og fri-elektron lys kilder for diagnostikk eller strålebehandling og protoner kilder for hadron terapi . Plasmaakseleratorer bruker vanligvis wakefields generert av plasmadensitetsbølger. Imidlertid kan plasmaakseleratorer operere i mange forskjellige regimer, avhengig av egenskapene til plasmene som brukes.

For eksempel akselererer en eksperimentell laserplasma-akselerator ved Lawrence Berkeley National Laboratory elektroner til 1 GeV over ca. 3,3 cm (5,4x10 20 g n ), og en konvensjonell akselerator (høyeste elektronenergiakselerator) ved SLAC krever 64 m for å nå samme energi . På samme måte oppnåddes ved bruk av plasmaer en energiforsterkning på mer enn 40 GeV ved bruk av SLAC SLC-strålen (42 GeV) på bare 85 cm ved bruk av en plasma wakefield-akselerator (8,9 x 10 20 g n ). Når den er ferdig utviklet, kan teknologien erstatte mange av de tradisjonelle RF-akseleratorene som for tiden finnes i partikkelkollider, sykehus og forskningsanlegg.

Til slutt ville ikke plasmaakselerasjonen være fullstendig hvis ikke ioneakselerasjonen under utvidelsen av et plasma til et vakuum ikke ble nevnt. Denne prosessen forekommer for eksempel i den intense laser-solid målinteraksjonen og blir ofte referert til som målets normale kappeakselerasjon. Ansvarlig for den spiky, raske ionefronten av det ekspanderende plasmaet er en ionebølgeprosess som finner sted i den innledende fasen av evolusjonen og er beskrevet av Sack-Schamel-ligningen .

Historie

The Texas petawatt laseren anlegget ved University of Texas i Austin akselererte elektroner til 2 GeV i løpet av ca. 2 cm (1.6x10 21 g n ). Denne rekorden ble brutt (med mer enn 2x) i 2014 av forskerne ved BELLA (laser) senteret ved Lawrence Berkeley National Laboratory , da de produserte elektronstråler opp til 4,25 GeV.

På slutten av 2014 publiserte forskere fra SLAC National Accelerator Laboratory ved hjelp av Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET) bevis på levedyktigheten av plasmaakselerasjonsteknologi. Det ble vist å kunne oppnå 400 til 500 ganger høyere energioverføring sammenlignet med en generell lineær akseleratordesign.

Et bevis på prinsippet plasma wakefield-akseleratoreksperiment ved bruk av en 400 GeV-protonstråle fra Super Proton Synchrotron opererer for tiden på CERN . Eksperimentet, kalt AWAKE , startet eksperimenter på slutten av 2016.

I august 2020 rapporterte forskere at de hadde nådd en milepæl i utviklingen av laser-plasma-akseleratorer og demonstrerte deres lengste stabile drift på 30 timer.

Konsept

Wakefield-akselerasjon

Et plasma består av en væske av positive og negative ladede partikler, vanligvis opprettet ved oppvarming eller fotoionisering (direkte / tunneling / multifoton / barriere-undertrykkelse) en fortynnet gass. Under normale forhold vil plasma være makroskopisk nøytralt (eller kvasi-nøytralt), en like blanding av elektroner og ioner i likevekt. Imidlertid, hvis et sterkt nok eksternt elektrisk eller elektromagnetisk felt påføres, vil plasmaelektronene, som er veldig lette i forhold til bakgrunnsionene (med en faktor 1836), skille seg romlig fra de massive ionene og skape en ladningsubalanse i den forstyrrede region. En partikkel injisert i et slikt plasma vil bli akselerert av ladningsseparasjonsfeltet, men siden størrelsen på denne separasjonen generelt er lik den for det eksterne feltet, oppnås tilsynelatende ingenting sammenlignet med et konvensjonelt system som ganske enkelt bruker feltet direkte på partikkelen. Men plasmamediet fungerer som den mest effektive transformatoren (for tiden kjent) av tverrfeltet til en elektromagnetisk bølge inn i langsgående felt av en plasmabølge. I eksisterende akseleratorteknologi brukes forskjellige passende konstruerte materialer til å konvertere fra tverrgående forplantning av ekstremt intense felt til langsgående felt som partiklene kan få et spark fra. Denne prosessen oppnås ved hjelp av to tilnærminger: stående bølgestrukturer (for eksempel resonanshulrom) eller vandrende bølgestrukturer som skivebelastede bølgeledere osv. Men begrensningen av materialer som samhandler med høyere og høyere felt er at de til slutt blir ødelagt gjennom ionisering og sammenbrudd. Her gir plasma-akseleratorvitenskapen gjennombrudd for å generere, opprettholde og utnytte de høyeste felt som noensinne er produsert av vitenskapen i laboratoriet.

Våkne opprettet av en elektronstråle i et plasma

Det som gjør systemet nyttig, er muligheten for å innføre bølger med svært høy ladningsseparasjon som forplanter seg gjennom plasmaet som ligner på reisebølgekonseptet i den konvensjonelle akseleratoren. Akseleratoren faselåser derved en partikkelgruppe på en bølge, og denne lastede romladningsbølgen akselererer dem til høyere hastigheter mens beholder gjengegenskapene. For tiden blir plasmakjøl eksitert ved hjelp av tilsvarende utformede laser- pulser eller elektron bunter. Plasmaelektroner blir drevet ut og vekk fra sentrum av kjølvannet av den overveiende kraften eller de elektrostatiske feltene fra de spennende feltene (elektron eller laser). Plasmaioner er for massive til å bevege seg betydelig og antas å være stasjonære i tidsskalaene for plasmaelektronrespons til de spennende feltene. Når de spennende feltene passerer gjennom plasmaet, opplever plasmaelektronene en massiv tiltrekningskraft tilbake til sentrum av kjølvannet av det positive plasmaionkammeret, boblen eller kolonnen som har blitt liggende der, som de opprinnelig var i det ikke-opphissede plasmaet. Dette danner et fullstendig kjølvann av et ekstremt høyt langsgående (akselererende) og tverrgående (fokuserende) elektrisk felt. Den positive ladningen fra ioner i ladningsseparasjonsregionen skaper deretter en enorm gradient mellom baksiden av kjølvannet, der det er mange elektroner, og midten av kjølvannet, der det hovedsakelig er ioner. Eventuelle elektroner mellom disse to områdene vil bli akselerert (i selvinjeksjonsmekanisme). I de eksterne skjemainjeksjonsskjemaene blir elektronene strategisk injisert for å komme til det evakuerte området under maksimal ekskursjon eller utvisning av plasmaelektronene.

En stråledrevet våkne kan opprettes ved å sende en relativistisk proton eller elektrongruppe i et passende plasma eller gass. I noen tilfeller kan gassen ioniseres av elektrongruppen, slik at elektrongruppen både skaper plasma og kjølvann. Dette krever en elektrongruppe med relativt høy ladning og dermed sterke felt. De høye feltene i elektrongruppen skyver deretter plasmaelektronene ut fra sentrum og skaper kjølvannet.

I likhet med et stråledrevet våkne, kan en laserpuls brukes til å begeistre plasmakjølingen. Når pulsen beveger seg gjennom plasmaet, skiller lysets elektriske felt elektronene og nukleonene på samme måte som et eksternt felt ville gjort.

Hvis feltene er sterke nok, kan alle de ioniserte plasmaelektronene fjernes fra midten av kjølvannet: dette er kjent som "blowout regime". Selv om partiklene ikke beveger seg veldig raskt i løpet av denne perioden, ser det ut til makroskopisk at en "ladeboble" beveger seg gjennom plasmaet nær lysets hastighet. Boblen er regionen som er ryddet av elektroner som dermed er positivt ladet, etterfulgt av regionen der elektronene faller tilbake i sentrum og dermed er negativt ladet. Dette fører til et lite område med veldig sterk potensiell gradient etter laserpulsen.

I det lineære regimet fjernes ikke plasmaelektroner helt fra midten av kjølvannet. I dette tilfellet kan den lineære plasmabølge ligningen brukes. Imidlertid virker kjølvannet veldig likt utblåsningsregimet, og akselerasjonsfysikken er den samme.

Det er denne "wakefield" som brukes til partikkelakselerasjon. En partikkel som injiseres i plasmaet nær området med høy tetthet, vil oppleve en akselerasjon mot (eller bort) fra den, en akselerasjon som fortsetter når våkefeltet beveger seg gjennom kolonnen, til partikkelen til slutt når hastigheten på våkefeltet. Enda høyere energier kan nås ved å injisere partikkelen for å reise over våkenfeltet, omtrent som en surfer kan reise i hastigheter som er mye høyere enn bølgen de surfer på ved å reise over den. Akseleratorer designet for å dra nytte av denne teknikken har blitt referert til i folkemunne som "surfatroner".

Ion Laser-solid akselerasjon

Laserbasert målbasert ioneakselerasjon har blitt et aktivt forskningsområde, spesielt siden oppdagelsen av Target Normal Sheath Acceleration. Denne nye ordningen gir ytterligere forbedringer innen hadronterapi , fusjon av hurtig tenning og kilder for grunnleggende forskning. Likevel er de maksimale energiene som er oppnådd så langt med dette skjemaet, i størrelsesorden 100 MeV energier.

Den viktigste laser-solid akselerasjonsordningen er Target Normal Sheath Acceleration, TNSA som det vanligvis kalles. TNSA er i likhet med andre laserbaserte akselerasjonsteknikker ikke i stand til å akselerere ionene direkte. I stedet er det en flertrinnsprosess som består av flere trinn hver med tilhørende vanskeligheter med å modellere matematisk. Av denne grunn eksisterer det foreløpig ingen perfekt teoretisk modell som er i stand til å produsere kvantitative forutsigelser for TNSA-mekanismen. Partikkel-i-celle- simuleringer brukes vanligvis for å effektivt oppnå spådommer.

Ordningen benytter et solid mål som først samhandler med laserpulsen, dette ioniserer målet og gjør det til et plasma og forårsaker en pre-utvidelse av målfronten. Som produserer en underdreven plasma-region foran på målet, den såkalte preplasma. Når hovedlaserpulsen kommer til målfronten, vil den deretter forplante seg gjennom dette underdette området og reflekteres fra frontflaten til målet som forplanter seg tilbake gjennom preplasmaet. Gjennom denne prosessen har laseren varmet opp elektronene i det tette området og akselerert dem via stokastisk oppvarming. Denne oppvarmingsprosessen er utrolig viktig, det å produsere elektronpopulasjoner ved høy temperatur er nøkkelen for de neste trinnene i prosessen. Betydningen av preplasma i elektronoppvarmingsprosessen har nylig blitt studert både teoretisk og eksperimentelt, og viser hvordan lengre preplasmer fører til sterkere elektronoppvarming og en forbedring i TNSA. De varme elektronene forplanter seg gjennom det faste målet og går ut gjennom bakenden. Ved å gjøre dette produserer elektronene et utrolig sterkt elektrisk felt, i størrelsesorden TV / m, gjennom ladningsseparasjon. Dette elektriske feltet, også referert til som skjedefeltet på grunn av dets likhet med formen på et slire fra et sverd, er ansvarlig for akselerasjonen av ionene. På baksiden av målet er det et lite lag med forurensninger (vanligvis lette hydrokarboner og vanndamp). Disse forurensningene ioniseres av det sterke elektriske feltet som genereres av de varme elektronene og akselereres deretter. Noe som fører til en energisk ionstråle og fullfører akselerasjonsprosessen.

Sammenligning med RF-akselerasjon

Fordelen med plasmaakselerasjon er at akselerasjonsfeltet kan være mye sterkere enn for konvensjonelle radiofrekvens (RF) akseleratorer . I RF-akseleratorer har feltet en øvre grense bestemt av terskelen for dielektrisk nedbrytning av akselerasjonsrøret. Dette begrenser akselerasjonsmengden over et gitt område, og krever veldig lange akseleratorer for å nå høye energier. Derimot er det maksimale feltet i et plasma definert av mekaniske kvaliteter og turbulens, men er generelt flere størrelsesordener sterkere enn med RF-akseleratorer. Det er håpet at en kompakt partikkelakselerator kan opprettes basert på plasmaakselerasjonsteknikker eller at akseleratorer for mye høyere energi kan bygges, hvis lange akseleratorer kan realiseres med et akselerasjonsfelt på 10 GV / m.

Plasmaakselerasjon er kategorisert i flere typer i henhold til hvordan elektronplasma-bølgen dannes:

  • plasma wakefield acceleration (PWFA) : Elektronplasma-bølgen dannes av en elektron- eller protongruppe.
  • laser wakefield acceleration (LWFA) : En laserpuls introduseres for å danne en elektronplasma-bølge.
  • laser beat-wave acceleration (LBWA) : Elektronplasma-bølgen oppstår basert på ulik frekvensgenerering av to laserpulser. "Surfatron" er en forbedring av denne teknikken.
  • selvmodulert laser wakefield-akselerasjon (SMLWFA) : Dannelsen av en elektronplasma-bølge oppnås ved en laserpuls modulert av stimulert Raman-spredning ustabilitet.

Den første eksperimentelle demonstrasjonen av wakefield-akselerasjon, som ble utført med PWFA, ble rapportert av en forskergruppe ved Argonne National Laboratory i 1988.

Formel

Akselerasjonsgradienten for en lineær plasmabølge er:

I denne ligningen, er det elektriske feltet , er lysets hastighet i vakuum, er massen til elektronet , er plasmaelektrontettheten (i partikler per meter kubikk), og er permittiviteten til ledig plass .

Eksperimentelle laboratorier

For tiden er plasmabaserte partikkelakseleratorer i bevis for konseptfasen ved følgende institusjoner:

Se også

Referanser

Eksterne linker