Aceleración de plasma - Plasma acceleration

La aceleración de plasma es una técnica para acelerar partículas cargadas , como electrones , positrones e iones , utilizando el campo eléctrico asociado con la onda de plasma de electrones u otras estructuras de plasma de alto gradiente (como los campos de choque y vaina). Las estructuras de aceleración del plasma se crean utilizando pulsos de láser ultracortos o haces de partículas energéticas que se adaptan a los parámetros del plasma. Estas técnicas ofrecen una forma de construir aceleradores de partículas de alto rendimiento de un tamaño mucho más pequeño que los dispositivos convencionales. Los conceptos básicos de aceleración de plasma y sus posibilidades fueron concebidos originalmente por Toshiki Tajima y John M. Dawson de UCLA en 1979. Los diseños experimentales iniciales para un acelerador "wakefield" fueron concebidos en UCLA por Chandrashekhar J. Joshi et al. Los dispositivos experimentales actuales muestran gradientes de aceleración varios órdenes de magnitud mejores que los aceleradores de partículas actuales en distancias muy cortas, y aproximadamente un orden de magnitud mejor (1 GeV / m vs 0.1 GeV / m para un acelerador de RF) en la escala de un metro.

Los aceleradores de plasma tienen una inmensa promesa de innovación de aceleradores compactos y asequibles para diversas aplicaciones que van desde la física de alta energía hasta aplicaciones médicas e industriales. Las aplicaciones médicas incluyen betatrones y fuentes de luz de electrones libres para diagnóstico o radioterapia y fuentes de protones para la terapia de hadrones . Los aceleradores de plasma generalmente utilizan campos de activación generados por ondas de densidad de plasma. Sin embargo, los aceleradores de plasma pueden operar en muchos regímenes diferentes dependiendo de las características de los plasmas utilizados.

Por ejemplo, un acelerador de plasma láser experimental en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley acelera los electrones a 1 GeV en aproximadamente 3.3 cm (5.4x10 20 g n ), y un acelerador convencional (el acelerador de mayor energía de electrones) en SLAC requiere 64 m para alcanzar la misma energía . De manera similar, usando plasmas se logró una ganancia de energía de más de 40 GeV usando el haz SLAC SLC (42 GeV) en solo 85 cm usando un acelerador de wakefield de plasma (8.9x10 20 g n ). Una vez desarrollada por completo, la tecnología podría reemplazar muchos de los aceleradores de RF tradicionales que se encuentran actualmente en colisionadores de partículas, hospitales e instalaciones de investigación.

Finalmente, la aceleración del plasma no sería completa si no se mencionara también la aceleración iónica durante la expansión de un plasma en el vacío. Este proceso se produce, por ejemplo, en la intensa interacción láser-objetivo sólido y, a menudo, se denomina aceleración de la vaina normal del objetivo. El responsable del frente de iones rápido y puntiagudo del plasma en expansión es un proceso de ruptura de ondas de iones que tiene lugar en la fase inicial de la evolución y se describe mediante la ecuación de Sack-Schamel .

Historia

La instalación de láser Texas Petawatt en la Universidad de Texas en Austin aceleró electrones a 2 GeV en aproximadamente 2 cm (1.6x10 21 g n ). Este récord fue batido (en más de 2 veces) en 2014 por los científicos del Centro BELLA (láser) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley , cuando produjeron haces de electrones de hasta 4,25 GeV.

A finales de 2014, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC que utilizan la Instalación para Pruebas Experimentales de Aceleradores Avanzados (FACET) publicaron pruebas de la viabilidad de la tecnología de aceleración de plasma. Se demostró que podía lograr una transferencia de energía de 400 a 500 veces mayor en comparación con un diseño de acelerador lineal general.

Un experimento de acelerador de campo de despertador de plasma de prueba de principio que utiliza un haz de protones de 400 GeV del Sincrotrón Super Proton está funcionando actualmente en el CERN . El experimento, llamado AWAKE , inició experimentos a finales de 2016.

En agosto de 2020, los científicos informaron sobre el logro de un hito en el desarrollo de aceleradores de plasma láser y demostraron su funcionamiento estable más prolongado de 30 horas.

Concepto

Aceleración de Wakefield

Un plasma consiste en un fluido de partículas cargadas positivas y negativas, generalmente creadas por calentamiento o fotoionización (directa / tunelización / multifotón / supresión de barrera) un gas diluido. En condiciones normales, el plasma será macroscópicamente neutro (o casi neutro), una mezcla igual de electrones e iones en equilibrio. Sin embargo, si se aplica un campo eléctrico o electromagnético externo lo suficientemente fuerte, los electrones de plasma, que son muy ligeros en comparación con los iones de fondo (por un factor de 1836), se separarán espacialmente de los iones masivos creando un desequilibrio de carga en los iones perturbados. región. Una partícula inyectada en tal plasma sería acelerada por el campo de separación de carga, pero dado que la magnitud de esta separación es generalmente similar a la del campo externo, aparentemente no se gana nada en comparación con un sistema convencional que simplemente aplica el campo directamente a la partícula. Pero, el medio de plasma actúa como el transformador más eficiente (conocido actualmente) del campo transversal de una onda electromagnética en campos longitudinales de una onda de plasma. En la tecnología de aceleradores existente, se utilizan varios materiales diseñados apropiadamente para convertir de campos de propagación transversal extremadamente intensos en campos longitudinales de los que las partículas pueden recibir una patada. Este proceso se logra utilizando dos enfoques: estructuras de ondas estacionarias (como cavidades resonantes) o estructuras de ondas viajeras como guías de ondas cargadas por discos, etc. Pero, la limitación de los materiales que interactúan con campos cada vez más altos es que eventualmente se destruyen a través de ionización y descomposición. Aquí, la ciencia del acelerador de plasma proporciona el gran avance para generar, mantener y explotar los campos más altos jamás producidos por la ciencia en el laboratorio.

Estela creada por un haz de electrones en un plasma

Lo que hace útil al sistema es la posibilidad de introducir ondas de muy alta separación de carga que se propagan a través del plasma de forma similar al concepto de onda viajera del acelerador convencional. Por lo tanto, el acelerador bloquea en fase un grupo de partículas en una onda y esta onda de carga espacial cargada las acelera a velocidades más altas mientras conserva las propiedades del grupo. Actualmente, las estelas de plasma se excitan mediante pulsos de láser de forma adecuada o grupos de electrones. Los electrones de plasma son expulsados ​​y alejados del centro de la estela por la fuerza ponderomotriz o los campos electrostáticos de los campos de excitación (electrones o láser). Los iones de plasma son demasiado masivos para moverse de manera significativa y se supone que están estacionarios en las escalas de tiempo de la respuesta de los electrones de plasma a los campos de excitación. A medida que los campos excitantes atraviesan el plasma, los electrones del plasma experimentan una fuerza atractiva masiva de regreso al centro de la estela por la cámara, burbuja o columna de iones de plasma positivos que han permanecido colocadas allí, como estaban originalmente en el plasma no excitado. Esto forma una estela completa de un campo eléctrico longitudinal (aceleración) y transversal (enfoque) extremadamente alto. La carga positiva de los iones en la región de separación de carga crea un enorme gradiente entre la parte posterior de la estela, donde hay muchos electrones, y la mitad de la estela, donde hay principalmente iones. Cualquier electrón entre estas dos áreas se acelerará (en el mecanismo de autoinyección). En los esquemas de inyección de racimo externo, los electrones se inyectan estratégicamente para llegar a la región evacuada durante la máxima excursión o expulsión de los electrones del plasma.

Se puede crear una estela impulsada por un haz enviando un protón relativista o un grupo de electrones a un plasma o gas apropiado. En algunos casos, el grupo de electrones puede ionizar el gas, de modo que el grupo de electrones crea el plasma y la estela. Esto requiere un grupo de electrones con una carga relativamente alta y, por lo tanto, campos fuertes. Los campos altos del grupo de electrones luego empujan los electrones del plasma hacia afuera del centro, creando la estela.

Similar a una estela impulsada por un rayo, se puede usar un pulso láser para excitar la estela de plasma. A medida que el pulso viaja a través del plasma, el campo eléctrico de la luz separa los electrones y los nucleones de la misma manera que lo haría un campo externo.

Si los campos son lo suficientemente fuertes, todos los electrones de plasma ionizados pueden eliminarse del centro de la estela: esto se conoce como el "régimen de explosión". Aunque las partículas no se mueven muy rápidamente durante este período, macroscópicamente parece que una "burbuja" de carga se mueve a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz. La burbuja es la región libre de electrones que, por tanto, está cargada positivamente, seguida de la región donde los electrones vuelven al centro y, por tanto, está cargada negativamente. Esto conduce a una pequeña área de gradiente de potencial muy fuerte que sigue al pulso láser.

En el régimen lineal, los electrones de plasma no se eliminan por completo del centro de la estela. En este caso, se puede aplicar la ecuación de onda de plasma lineal. Sin embargo, la estela parece muy similar al régimen de explosión y la física de la aceleración es la misma.

Es este "campo de despertar" el que se utiliza para la aceleración de partículas. Una partícula inyectada en el plasma cerca del área de alta densidad experimentará una aceleración hacia (o alejándose) de ella, una aceleración que continúa a medida que el campo de estela viaja a través de la columna, hasta que la partícula finalmente alcanza la velocidad del campo de estela. Incluso se pueden alcanzar energías más altas inyectando la partícula para viajar a través de la superficie del campo de wakefield, al igual que un surfista puede viajar a velocidades mucho más altas que la ola sobre la que navega al viajar a través de ella. Los aceleradores diseñados para aprovechar esta técnica se han denominado coloquialmente "surfatrons".

Aceleración sólida de láser de iones

La aceleración de iones basada en un objetivo sólido con láser se ha convertido en un área activa de investigación, especialmente desde el descubrimiento de la aceleración de la vaina normal del objetivo. Este nuevo esquema ofrece mejoras adicionales en la terapia de hadrones , ignición rápida por fusión y fuentes para la investigación fundamental. No obstante, las energías máximas alcanzadas hasta ahora con este esquema son del orden de energías de 100 MeV.

El esquema principal de aceleración de láser sólido es Target Normal Sheath Acceleration, TNSA, como se le conoce habitualmente. TNSA, como otras técnicas de aceleración basadas en láser, no es capaz de acelerar directamente los iones. En cambio, es un proceso de varios pasos que consta de varias etapas, cada una con su dificultad asociada para modelar matemáticamente. Por esta razón, hasta el momento no existe un modelo teórico perfecto capaz de producir predicciones cuantitativas para el mecanismo TNSA. Las simulaciones de partículas en la celda se emplean generalmente para lograr predicciones de manera eficiente.

El esquema emplea un objetivo sólido que interactúa en primer lugar con el prepulso del láser, este ioniza el objetivo convirtiéndolo en plasma y provocando una preexpansión del frente del objetivo. Que produce una región de plasma subdensa en la parte frontal del objetivo, el llamado preplasma. Una vez que el pulso de láser principal llega al frente del objetivo, se propagará a través de esta región subdensa y se reflejará desde la superficie frontal del objetivo y se propagará hacia atrás a través del preplasma. A lo largo de este proceso, el láser ha calentado los electrones en la región subdensa y los ha acelerado mediante un calentamiento estocástico. Este proceso de calentamiento es increíblemente importante, la producción de poblaciones de electrones a alta temperatura es clave para los siguientes pasos del proceso. La importancia del preplasma en el proceso de calentamiento de electrones se ha estudiado recientemente, tanto teórica como experimentalmente, mostrando cómo los preplasmas más largos conducen a un calentamiento de electrones más fuerte y una mejora en TNSA. Los electrones calientes se propagan a través del objetivo sólido y salen de él por la parte trasera. Al hacerlo, los electrones producen un campo eléctrico increíblemente fuerte, del orden de TV / m, a través de la separación de carga. Este campo eléctrico, también conocido como campo de la vaina debido a su parecido con la forma de una vaina de una espada, es responsable de la aceleración de los iones. En la cara posterior del objetivo hay una pequeña capa de contaminantes (generalmente hidrocarburos ligeros y vapor de agua). Estos contaminantes son ionizados por el fuerte campo eléctrico generado por los electrones calientes y luego acelerados. Lo que conduce a un haz de iones energético y completa el proceso de aceleración.

Comparación con la aceleración de RF

La ventaja de la aceleración de plasma es que su campo de aceleración puede ser mucho más fuerte que el de los aceleradores de radiofrecuencia (RF) convencionales . En los aceleradores de RF, el campo tiene un límite superior determinado por el umbral de ruptura dieléctrica del tubo de aceleración. Esto limita la cantidad de aceleración en cualquier área dada, requiriendo aceleradores muy largos para alcanzar altas energías. Por el contrario, el campo máximo en un plasma se define por las cualidades mecánicas y la turbulencia, pero generalmente es varios órdenes de magnitud más fuerte que con los aceleradores de RF. Se espera que se pueda crear un acelerador de partículas compacto basado en técnicas de aceleración de plasma o se puedan construir aceleradores para una energía mucho mayor, si se pueden realizar aceleradores largos con un campo de aceleración de 10 GV / m.

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

  • Aceleración de campo de despertador de plasma (PWFA) : La onda de plasma de electrones está formada por un grupo de electrones o protones.
  • Aceleración de campo de despertador láser (LWFA) : se introduce un pulso de láser para formar una onda de plasma de electrones.
  • Aceleración de onda de latido láser (LBWA) : La onda de plasma de electrones surge en función de la generación de frecuencia diferente de dos pulsos de láser. El "Surfatron" es una mejora de esta técnica.
  • Aceleración de campo de wakefield láser auto-modulada (SMLWFA) : La formación de una onda de plasma de electrones se logra mediante un pulso de láser modulado por la inestabilidad de dispersión directa Raman estimulada .

La primera demostración experimental de aceleración de wakefield, que se realizó con PWFA, fue reportada por un grupo de investigación en el Laboratorio Nacional de Argonne en 1988.

Fórmula

El gradiente de aceleración de una onda de 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 del electrón del plasma (en partículas por metro cúbico) y es la permitividad del espacio libre .

Laboratorios experimentales

Actualmente, los aceleradores de partículas basados ​​en plasma se encuentran en la fase de prueba de concepto en las siguientes instituciones:

Ver también

Referencias

enlaces externos