Aceleración plasma

La aceleración de Wakefield plasma es una técnica para acelerar partículas cargadas, como electrones, positrones e iones, usando un campo eléctrico asociado con una onda plasma de electrones. La onda se crea utilización de pulsos de electrones o a través del paso de muy breves pulsos de láser, una técnica conocida como la aceleración plasma de láser. Estas técnicas parecen ofrecer una manera de construir aceleradores de partículas de alto rendimiento de la talla mucho más pequeña que dispositivos convencionales a cargo de la coherencia. Declives de aceleración del espectáculo de dispositivos experimentales corrientes varios ordenes de magnitud mejor que aceleradores de partículas corrientes. Por ejemplo, un acelerador plasma de láser experimental en Lawrence Berkeley el Laboratorio Nacional acelera electrones a 1 GeV sobre aproximadamente 3.3 cm (5.4x10 g), mientras que el acelerador convencional SLAC requiere que 64 m alcance la misma energía. Un experimento reciente realizado por un equipo en SLAC consiguió una ganancia de la energía a 42 GeV utilización de más de 85 cm de un plasma wakefield acelerador (8.9x10 g). Una vez totalmente desarrollado, la tecnología podría sustituir muchos de los aceleradores de RF tradicionales actualmente encontrados en hospitales y capacidades de investigación.

Concepto básico

Un plasma consiste en el fluido de partículas cargadas positivas y negativas, generalmente creadas calentándose o fotoionizándose (directo o construyendo un túnel) un gas diluido. En condiciones normales el plasma será macroscópicamente neutro (o cuasi neutro), una mezcla igual de electrones e iones en el equilibrio. Sin embargo, si un campo eléctrico o electromagnético externo bastante fuerte se aplica, los electrones plasma, que son muy ligeros en comparación con los iones de fondo (al menos por un factor de 1836), se separarán espacialmente de los iones masivos que crean un desequilibrio del precio en la región perturbada. Una partícula inyectada en tal plasma sería acelerada por el campo de la separación del precio, pero ya que la magnitud de esta separación es generalmente similar a ese del campo externo, por lo visto nada se gana en comparación con un sistema convencional que simplemente aplica el campo directamente a la partícula. Pero, el medio plasma sirve del transformador más eficiente (actualmente conocido) del campo transversal de una onda electromagnética en campos longitudinales de una onda plasma. En la tecnología del acelerador existente materiales varios apropiadamente diseñados están acostumbrados al converso de campos muy intensos transversales que se propagan en a campos longitudinales de los cuales las partículas pueden conseguir un puntapié. Este proceso se consigue usando dos estructuras de onda permanente de enfoques (como cavidades resonantes) o estructuras de onda de los viajes} como guías de ondas cargadas por el disco etc. Pero, la limitación de materiales que se relacionan con campos más alto y más altos es que finalmente se destruyen a través de ionización y avería (que bastante de manera extraña forma un plasma). Aquí la ciencia del acelerador plasma al principio concebida por el catedrático John M. Dawson fallecido de UCLA provee la brecha pensaba en cómo generar, sostener y explotar los campos más altos alguna vez producidos por la ciencia humana en laboratorios. Debería ser notado por los lectores que la mayor parte del universo de la no materia oscura es el plasma y tales procesos plasma son comunes en el plasma astrofísico.

Descripción

Lo que hace el sistema útil es la posibilidad de introducir ondas de la separación del precio muy alta que se propagan a través del plasma similar al concepto de onda de los viajes en el acelerador convencional. El acelerador así cerraduras de la fase un manojo de la partícula en una onda y esta onda del precio espacial cargada los acelera a velocidades más altas reteniendo las propiedades del manojo. Actualmente, las estelas plasma son excitadas por pulsos de láser con la forma apropiada o manojos de electrones. Los electrones plasma son conducidos y lejos del centro de estela por la fuerza del considerar-motivo o los campos electrostáticos de los campos emocionantes (electrón o láser). Los iones plasma son demasiado masivos para moverse considerablemente y se suponen ser inmóviles en las escalas de tiempo de la respuesta de electrones plasma a los campos emocionantes. Como los campos emocionantes pasan por el plasma, los electrones plasma experimentan una fuerza atractiva masiva atrás al centro de la estela por la cámara de iones plasma positiva, burbuja o columna que han permanecido colocados allí, como estaban al principio en el plasma no excitado. Esto forma una estela llena de un longitudinal muy alto (aceleración) y transversal (enfoque) campo eléctrico. El precio positivo de iones en la región de la separación del precio entonces crea un declive enorme entre la espalda de la estela, donde hay muchos electrones, y el medio de la estela, donde hay generalmente los iones. Cualquier electrón entre estas dos áreas se acelerará (en el mecanismo de autoinyección). En el manojo externo la inyección intriga los electrones estratégicamente se inyectan para llegar a la región evacuada durante excursión máxima o expulsión de los electrones plasma.

Excitación la estela plasma

Una estela conducida por la viga se puede crear enviando un protón relativista o manojo de electrones en un plasma apropiado o gas. En algunos casos, el gas puede ser ionizado por el manojo de electrones, de modo que el manojo de electrones tanto cree el plasma como la estela. Esto requiere un manojo de electrones con precio relativamente alto y así campos fuertes. Los campos altos del manojo de electrones entonces empujan los electrones plasma del centro, creando la estela.

Similar a una estela conducida por la viga, un pulso de láser puede ser usado para excitar la estela plasma. Cuando el pulso viaja a través del plasma, el campo eléctrico de la luz separa los electrones y nucleons del mismo modo que un campo externo iba.

Pinchazo contra régimen lineal

Si los campos son bastante fuertes, todos los electrones plasma ionizados se pueden quitar del centro de la estela: esto se conoce como el "régimen del pinchazo". Aunque las partículas no se muevan muy rápidamente durante este período, macroscópicamente parece que una "burbuja" de precio se mueve a través del plasma a cerca de la velocidad de la luz. La burbuja es la región limpiada de electrones que así positivamente se cobra, seguido de la región donde los electrones retroceden en el centro y así negativamente se cobra. Esto lleva a una pequeña área del declive potencial muy fuerte después de pulso de láser.

En el régimen lineal, los electrones plasma completamente no se quitan del centro de la estela. En este caso, la ecuación de onda plasma lineal se puede aplicar. Sin embargo, la estela parece muy similar al régimen del pinchazo, y la física de aceleración es lo mismo.

Aceleración

Es este "wakefield" que se usa para la aceleración de la partícula. Una partícula inyectada en el plasma cerca del área high density experimentará una aceleración hacia (o lejos) de ello, una aceleración que sigue como los viajes de wakefield a través de la columna, hasta que la partícula finalmente alcance la velocidad del wakefield. Incluso las energías más altas se pueden alcanzar inyectando la partícula para viajar a través de la cara del wakefield, mucho como un surfista puede viajar con velocidades mucho más alto que la onda en la cual hacen surf viajando a través de ello. Los aceleradores diseñados para aprovechar esta técnica se han mandado a familiarmente como "surfatron" s.

Comparación con aceleración de RF

La ventaja de la aceleración plasma consiste en que su campo de aceleración puede ser mucho más fuerte que ese de aceleradores de la radiofrecuencia (RF) convencionales. En aceleradores de RF, el campo tiene un límite superior determinado por el umbral para la avería dieléctrica del tubo de aceleración. Esto limita la cantidad de aceleración sobre cualquier área dada, requiriendo aceleradores muy largos alcanzar energías altas. En contraste, el campo máximo en un plasma es definido por calidades mecánicas y turbulencia, pero es generalmente varios ordenes de magnitud más fuertes que con aceleradores de RF. Se espera que un acelerador de partículas compacto se pueda crear basado en técnicas de aceleración plasma o los aceleradores para la energía mucho más alta se pueden construir, si los aceleradores largos son realizables con un campo acelerador de 10 GV/m.

La aceleración plasma se clasifica en varios tipos según cómo la onda plasma de electrones se forma:

El concepto de la aceleración plasma fue propuesto primero por Toshiki Tajima y John Dawson en un artículo teórico publicado en 1979. La primera demostración experimental de la aceleración wakefield, que se realizó con PWFA, fue relatada por un grupo de investigación en el Laboratorio Nacional Argonne en 1988.

Fórmula

El declive de aceleración para una onda plasma lineal es:

:

En esta ecuación, es el campo eléctrico, es la velocidad de la luz en el vacío, es la masa del electrón, es la densidad plasma (en partículas por metro del cubo) y es el permittivity del espacio libre.

Laboratorios experimentales

Surfatron es el nombre familiar para aceleradores de partículas experimentales usando la aceleración plasma. Actualmente tales dispositivos están en la prueba de la fase del concepto en las instituciones siguientes:

Véase también

Enlaces externos



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