Akcelerator plazmowy
Akcelerator plazmowy to urządzenie, które ma na celu przyspieszanie naładowanych cząstek, takich jak elektrony, pozytony oraz jony, poprzez zastosowanie pola elektrycznego w połączeniu z falą generowaną w plazmie elektronowej. Fala ta jest tworzona dzięki krótkim impulsom laserowym lub impulsom elektronowym przechodzącym przez plazmę. Technologia ta oferuje obiecujące perspektywy na budowę akceleratorów cząstek, które są znacznie bardziej wydajne oraz mniejsze w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań, co wiąże się z niższymi kosztami. Aktualne wersje eksperymentalne tych urządzeń wykazują gradient przyspieszenia znacznie większy niż te stosowane obecnie. Na przykład, eksperymentalne urządzenie w Lawrence Berkeley National Laboratory przyspiesza elektrony do 1 GeV na odcinku 3,3 cm, podczas gdy konwencjonalny akcelerator w SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) potrzebuje 64 m, aby osiągnąć tę samą energię. W ostatnich eksperymentach przeprowadzonych przez zespół SLAC, przy użyciu akceleratora plazmowego typu PWFA, osiągnięto energię 42 GeV na odcinku 85 cm. Z kolei eksperymentalny akcelerator plazmowy AWAKE, którego celem jest przyspieszenie elektronów do energii co najmniej 50 GeV, działa obecnie w CERN i rozpoczął swoją działalność pod koniec 2016 roku.
Podstawy
Plazma to zbiór zjonizowanych cząstek, które mają ładunki dodatnie i ujemne, powstający głównie w wyniku podgrzewania rozrzedzonego gazu. W normalnych warunkach plazma jest makroskopowo obojętna, będąc mieszanką elektronów i protonów w równowadze. Jednak gdy zostanie na nią nałożone zewnętrzne pole elektryczne, plazma ulega podziałowi, a część cząstek zaczyna być przyciągana przez to pole. Wstrzyknięta cząstka w tak uformowaną plazmę będzie przyspieszona dzięki temu podziałowi, ale wielkość tego podziału jest proporcjonalna do zewnętrznego pola, co sprawia, że nie osiągniemy nic nadzwyczajnego w porównaniu do konwencjonalnych systemów przyspieszających za pomocą pól elektrycznych.
Potencjalna użyteczność systemu wynika z możliwości powstania fal przeciwnie spolaryzowanych cząstek, które przemieszczają się przez całą długość plazmy. Fala ta może być generowana przez impuls elektronowy lub silny impuls laserowy w odpowiednio przygotowanej plazmie. W trakcie przechodzenia impulsu przez plazmę, pole elektryczne oddziela elektrony od protonów w sposób podobny do działania zewnętrznego pola. Gdy impuls opuszcza dane miejsce, elektrony są przyciągane do środka przez dodatnio naładowane jony, co powoduje, że nabierają prędkości. W momencie, gdy docierają do środka, przed utratą energii na skutek kolizji, na krótki czas „spiętrzają się”, co prowadzi do stabilizacji elektrostatycznej plazmy.
Choć cząstki nie poruszają się zbyt szybko podczas tego procesu, makroskopowo wygląda to tak, jakby „pęcherzyk” ładunku poruszał się z prędkością bliską prędkości światła. Pęcherzyk ten jest obszarem pozbawionym elektronów, więc ma ładunek dodatni, a za nim podąża region z dużą koncentracją elektronów, czyli obszar naładowany ujemnie. W plazmie zatem tworzy się obszar o znacznej różnicy potencjałów, który przemieszcza się razem z impulsem światła laserowego.
To właśnie to „wzbudzone pole” (wakefield) jest wykorzystywane do przyspieszania cząstek. Cząstka wstrzyknięta w plazmę w pobliżu obszaru o wysokim potencjale zostanie przyspieszona do przodu lub wstecz od tego miejsca. Przyspieszenie trwa tak długo, jak długo „wzbudzenie” przemieszcza się przez plazmę, aż cząstka osiągnie jego prędkość. Możliwe jest uzyskanie jeszcze większej energii cząstek, gdy cząstka jest wstrzykiwana w taki sposób, że porusza się po powierzchni pola. Można to porównać do surfera poruszającego się w poprzek fali z prędkością znacznie przewyższającą prędkość samej fali. Akceleratory zaprojektowane w celu wykorzystania tego efektu nazywamy surfatronami.
Jedną z głównych zalet akceleratorów plazmowych jest ich zdolność do wytwarzania znacznie większego pola przyspieszającego w porównaniu do konwencjonalnych akceleratorów o wysokiej częstotliwości. Akceleratory RF (radio-frequency) mają ograniczenie wielkości pola, które jest związane z progiem przebicia dielektrycznego komory akceleratora. Ogranicza to maksymalne przyspieszenie, jakie można osiągnąć na danym odcinku, co wymusza stosowanie długich akceleratorów w celu uzyskania pożądanej energii cząstek. W przeciwieństwie do tego, pole w plazmie jest uzależnione od właściwości mechanicznych oraz turbulencji, a mimo tych trudności, osiągane pole jest wielokrotnie większe niż w akceleratorach wysokoczęstotliwościowych. Istnieje nadzieja, że uda się stworzyć kompaktowe akceleratory oparte na technologii plazmowej lub zbudować akceleratory o znacznie wyższej energii cząstek, jeśli tylko uda się skonstruować dłuższe akceleratory zdolne do generowania pola przyspieszającego wynoszącego 10 GV/m.
Akceleratory plazmowe można podzielić na kilka typów w zależności od metody generowania fali elektronowej w plazmie:
- PWFA (plasma wakefield acceleration) – fala elektronowa w plazmie tworzona jest za pomocą grupy elektronów,
- LWFA (laser wakefield acceleration) – impuls laserowy inicjuje falę elektronową w plazmie,
- LBWA (laser beat-wave acceleration),
- SMLWFA (self-modulated laser wakefield acceleration).
Teoria akceleratora plazmowego została zaproponowana przez Toshikiego Tajimę oraz Johna Dawsona w artykule opublikowanym w 1979 roku. Pierwsze doświadczenie z wykorzystaniem akceleracji opartej na „wzbudzonym polu” (wakefield) i zastosowaniem metody PWFA zostało przeprowadzone przez grupę badawczą z Argonne National Laboratory w 1988 roku.
Wzór
Gradient przyspieszenia dla liniowej fali w plazmie wynosi:
E = c ⋅ √(me ⋅ ρ / ε0),
gdzie:
- E – wartość pola elektrycznego,
- c – prędkość światła w próżni,
- me – masa elektronu,
- ρ – gęstość plazmy,
- ε0 – przenikalność elektryczna próżni.