» » Ученые повысили эффективность плазменного ускорителя, увеличив плотность пучков

Ученые повысили эффективность плазменного ускорителя, увеличив плотность пучков


Ученые повысили эффективность плазменного ускорителя, увеличив плотность пучков

Рис. 1. Схема плазменного кильватерного ускорения. Сверху — при отсутствии пучка ускоряемых электронов, снизу — при его наличии (Trailing bunch). Оттенками синего передана плотность электронов в плазме. Кильватерная волна (Plasma wake) возбуждается электронным пучком — драйвером (Drive bunch), распространяющимся слева направо. Красной линией показано продольное электрическое поле на оси пучка, темно-синим пунктиром — распределение плотности электронов там же. Схема из обсуждаемой статьи в Nature


Традиционные методы ускорения частиц до высоких энергий практически уперлись в потолок своих возможностей. Создание ускорителей следующего поколения требует разработки принципиально новых подходов. Одной из наиболее перспективных альтернатив является плазменное ускорение. В недавней статье, опубликованной в журнале Nature, сотрудники Стэнфордского линейного ускорителя SLAC сообщают, что им удалось значительно повысить эффективность плазменных ускорителей, увеличив число ускоряемых частиц.

Самым мощным инструментом современной физики элементарных частиц является Большой адронный коллайдер (LHC). Эта монструозная машина стоимостью в несколько миллиардов долларов уже позволила нам сделать ряд открытий, главным из которых, безусловно, является бозон Хиггса (см. Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее, «Элементы», 16.07.2012). Однако и у LHC есть свои пределы. Рано или поздно физики исследуют всё, что только можно в этих пределах, но могут так и не найти ответы на многие вопросы. Поэтому уже сейчас ученые задумываются о том, как будет выглядеть ускоритель следующего поколения. На данный момент этот вопрос открыт; фаворитом, видимо, является Международный линейный электрон-позитронный коллайдер ILC (см. новость Физики обсуждают варианты «хиггсовской фабрики», «Элементы», 19.02.2013, а также статью Хиггс открыт. Что дальше?, «Наука и жизнь» №10, 2013). Не исключено, что помимо традиционного ускорителя он будет содержать и участок новой технологии — так называемого плазменного ускорителя. Во всяком случае, именно в этом направлении работает группа сотрудников Стэнфордского линейного ускорителя SLAC.

Проблема с традиционными ускорителями такова: на настоящем этапе их размеры должны быть поистине огромными, чтобы удовлетворить требованиям ученых. Это связано с тем, что существует ограничение сверху на поля, которые ускоряют в них частицы. Если поле увеличить, то начнется разрушение самих устройств, создающих эти поля. Именно по этой причине размеры и стоимость LHC столь велики.

Однако есть альтернативный путь: использовать в качестве ускорителя плазму. Плазма представляет собой горячий ионизированный газ, и в ней можно создавать электрические поля практически произвольной величины. Уже довольно давно был предложен эффективный способ создания таких полей. Этот способ, известный как плазменное кильватерное ускорение, заключается в возбуждении в плазме волны при помощи того или иного «драйвера». В качестве драйвера часто используют короткий и мощный лазерный импульс. Об успехах лазерного ускорения электронов уже рассказывалось на «Элементах» (см. новости Плазменные ускорители преодолели рубеж в 1 ГэВ, 29.09.2006, и Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения, 17.08.2011). Однако драйвером может быть и пучок релятивистских электронов (Американцы придумали, как ускорить ускорители, «Элементы», 02.08.2005) или даже протонов (Предложена схема плазменного ускорителя электронов до энергий порядка 1 ТэВ, «Элементы», 16.04.2009), хотя в последнем случае возникают дополнительные сложности.

Именно возможностью ускорять электронный пучок плазменной волной, созданной другим электронным пучком, и занимаются сотрудники SLAC. Конечно, пучок-драйвер предварительно должен быть ускорен до больших энергий (именно для этого экспериментаторам и нужен линейный ускоритель), но затем в плазме можно, например, удвоить энергию электронов в ускоряемом пучке, если он идентичен пучку-драйверу. Такой эксперимент уже проводился на SLAC несколько лет назад. Ученым тогда удалось практически удвоить энергию электронов, увеличив ее c 42 до 85 ГэВ (I. Blumenfeld et al. 2007. Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale plasma wakefield accelerator).

Кратко механизм плазменного ускорения электронов можно описать так (рис. 1). Драйвер, распространяясь в плазме, своим электрическим полем выводит электроны плазмы из состояния равновесия. В результате позади драйвера возбуждается электронная плазменная волна, бегущая с той же скоростью, что и драйвер. Этот процесс в чем-то аналогичен возбуждению волн на поверхности воды кораблем или моторной лодкой, поэтому такие плазменные волны получили название кильватерных.

Поскольку в плазменной волне имеются сгущения и разрежения электронной плотности — области, в которых электронов чуть больше или чуть меньше, чем фоновых ионов, — то в ней имеется также и переменное продольное электрическое поле, создаваемое нескомпенсированными зарядами. Причем это поле также бежит вслед за драйвером со скоростью плазменной волны. В некоторых областях (их еще называют фазами) продольное поле является ускоряющим для электронов, а в некоторых — тормозящим. Теперь если имеется пучок релятивистских электронов небольшого размера, который может полностью поместиться в область ускоряющего поля, то, попав в такую область (конечно, если он летит в том же направлении, что и драйвер), этот пучок так и будет в ней лететь, поскольку и скорость драйвера, и скорость волны, и скорость ускоряемого пучка лишь незначительно меньше скорости света. Таким образом, будет осуществляться непрерывное ускорение электронов, попавших в ускоряющую фазу поля, до тех пор, пока они, набрав энергию, не обгонят ее.

Очевидная проблема описанной схемы заключается в ее относительно невысокой эффективности. Большая часть энергии драйвера тратится впустую на возбуждение кильватерной волны и не передается ускоряемому пучку. Именно на этой проблеме сконцентрировались экспериментаторы в обсуждаемой работе. Чтобы увеличить эффективность, они прибегли к простому методу: стали увеличивать количество электронов в ускоряемом пучке. Действительно, ускорение отдельного электрона практически не зависит от наличия других его собратьев, поэтому, увеличив их число, можно увеличить и полное количество энергии, переданное пучку. Конечно, делать так до бесконечности нельзя. Рано или поздно пучок станет слишком плотным, чтобы можно было пренебречь взаимодействием в нем частиц между собой: пучок начнет распадаться и разрушать ускоряющую волну. Именно эту границу и искали в своих экспериментах сотрудники SLAC.

В результате в серии так называемых выстрелов, то есть единичных экспериментов, им удалось получить среднюю эффективность 17,7%, а в некоторых выстрелах эффективность превышала 30%. При этом электроны в пучке ускорялись с 20,35 ГэВ до 21,9–22,0 ГэВ в среднем (рис. 2). Вместе с тем значительно увеличивалась степень их разброса по энергиям: некоторые электроны в конце ускорения имели энергию даже меньше, чем в начале. Кроме того, многие электроны значительно отставали, не попадая в так называемое «ядро» ускоренного пучка. Энергия, переданная этим электронам, в итоге не учитывалась при подсчете эффективности. Несмотря на эти проблемы, разброс энергии электронов в «ядре» все-таки был приемлемым и в среднем не превышал 2%, а в лучших выстрелах был на уровне 0,7%.


Ученые повысили эффективность плазменного ускорителя, увеличив плотность пучков

Рис. 2. Распределение электронов по энергиям в конце ускорения в различных выстрелах. По вертикали отложен условный номер выстрела после сортировки по полученной эффективности, по горизонтали — энергия электронов. Изначально электроны имели узкий спектр вблизи 20,35 ГэВ. Черной линией изображена «полная эффективность» ускорения, то есть количество энергии, переданной всем ускоряемым электронам. Красной линией изображена «эффективность», вычисленная по количеству энергии, переданной только электронам, попавшим в «ядро» ускоренного пучка электронов. Эта характеристика более адекватна с точки зрения эксперимента, потому что энергию, переданную электронам, не попавшим в итоге в «ядро» и отставшим, следует считать потерянной. График из обсуждаемой статьи в Nature


Чтобы наглядно представить себе главное преимущество плазменного ускорителя, надо понимать, что длина плазменного слоя, в котором происходило ускорение, составляла около 36 см. Для сравнения, чтобы увеличить энергию электронов на 1,6 ГэВ традиционными методами, требуется прогнать их по участку ускорителя длиной около 200 метров.

Источник: M. Litos et al. High-efficiency acceleration of an electron beam in a plasma wakefield accelerator // Nature. 2014. V. 515. P. 92–95.

Артем Коржиманов


28 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Губительным для ДНК является весь ближний ИК-диапазон излучения

Эксперименты с облучением плазмидной ДНК инфракрасным светом с длиной волны 2,2 микрона показали, что разрывы нитей ДНК происходят не реже, а чаще, чем в ближнем ИК-диапазоне. Молекулярный механизм

Нейтроны в гравитационном поле Земли позволяют проверить модели темной энергии и темной материи

Десять лет назад было экспериментально доказано, что за счет силы тяжести лежащие на подложке ультрахолодные нейтроны обладают квантовыми уровнями энергии, наподобие электронов в атоме. Совсем

Создан самый яркий лабораторный источник нейтронов

Группа экспериментаторов из Техасского университета в Остине на основе лазера сверхвысокой пиковой мощности создала источник нейтронов с рекордной плотностью потока. Это удалось благодаря новому

Циклотронное излучение открывает новые возможности для измерения массы нейтрино

Первые результаты эксперимента Project 8 доказали состоятельность новой методики измерения энергии электронов — по частоте их циклотронного излучения. Этот метод работает с нерелятивистскими

В погоне за петаваттами

Половина Нобелевской премии по физике этого года была присуждена Жерару Муру и Донне Стрикленд за метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. Благодаря их результатам

Плазменный электролиз позволяет получать аммиак из азота и воды без катализатора

Американские химики получили аммиак из азота и воды, не используя ни жестких условий реакций, ни катализаторов. Для активации азота они использовали плазменный электрод. Новый способ, если его
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОбманщики чередуют ложь с правдой, чтобы им продолжали верить