aceleración de plasma
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 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 la aceleración del plasma y sus posibilidades fueron originalmente concebidos porToshiki Tajima y John M. Dawson de UCLA en 1979. [1] Los diseños experimentales iniciales para un acelerador "wakefield" fueron concebidos en UCLA por Chandrashekhar J. Joshi et al. [2] Los dispositivos experimentales actuales muestran gradientes de aceleración varios órdenes de magnitud mejores que los aceleradores de partículas actuales en distancias muy cortas, y alrededor de un orden de magnitud mejores (1 GeV /m [3] frente a 0,1 GeV/m para un acelerador de RF [4] ) en la escala de un metro.
Los aceleradores de plasma son una gran promesa para la innovación de aceleradores asequibles y compactos para diversas aplicaciones que van desde la física de alta energía hasta aplicaciones médicas e industriales. Las aplicaciones médicas incluyen fuentes de luz de betatrón y de electrones libres para diagnóstico o radioterapia y fuentes de protones para terapia de hadrones . Los aceleradores de plasma generalmente usan campos de estela 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 electrones a 1 GeV en aproximadamente 3,3 cm (5,4x10 20 g n ), [5] y un acelerador convencional (acelerador de mayor energía de electrones) en SLAC requiere 64 m para alcanzar la misma energía. Del mismo modo, usando plasmas se logró una ganancia de energía de más de 40 GeV usando el haz SLAC SLC (42 GeV) en tan solo 85 cm usando un acelerador de wakefield de plasma (8.9x10 20 g n ). [6]Una vez que esté completamente desarrollada, 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 de iones durante la expansión de un plasma en el vacío. Este proceso ocurre, 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 . [7]
La instalación de láser Texas Petawatt de la Universidad de Texas en Austin aceleró electrones a 2 GeV en unos 2 cm (1,6x10 21 g n ). [8] Este récord fue batido (más del doble) en 2014 por los científicos del Centro BELLA (láser) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley , cuando produjeron haces de electrones de hasta 4,25 GeV. [9]
A fines de 2014, los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores 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 puede lograr una transferencia de energía de 400 a 500 veces mayor en comparación con un diseño de acelerador lineal general. [10] [11]
