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 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 actuales aceleradores de partículas en distancias muy cortas, y aproximadamente un orden de magnitud mejor (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 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 electrones a 1 GeV en aproximadamente 3.3 cm (5.4x10 20 g n ), [5] 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 ). [6] 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 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 objetivo aceleración normal de la vaina. 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]
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 ). [8] 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. [9]
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. [10] [11]
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 operando actualmente en el CERN . [12] El experimento, llamado AWAKE , inició experimentos a finales de 2016. [13]
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. [14] [15] [16] [17] [18]
Concepto
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 dicho 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.
Lo que hace útil el 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 del 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 del plasma a los campos excitantes. 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. [19] 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, con 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 lo tanto, está cargada positivamente, seguida de la región donde los electrones vuelven al centro y, por lo 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".
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 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. [20]
- Aceleración de campo de despertador 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. [21]
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 de electrones en 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:
- Laboratorio Nacional Argonne
- INFN Laboratori Nazionali di Frascati [22]
- Centro de aplicaciones láser avanzadas, LMU Munich
- Instituto Helmholtz Jena
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
- Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
- Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
- UCLA
- Laboratorio Rutherford Appleton
- Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
- Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos
- Instituto Budker de Física Nuclear
- Universidad de Michigan
- Laboratorios Chalk River
- Texas Petawatt Laser, Universidad de Texas en Austin
- Aceleradores avanzados de láser-plasma de alta energía hacia la línea de haz de rayos X (ALPHA-X) en la Universidad de Strathclyde
- Centro escocés para la aplicación de aceleradores basados en plasma (SCAPA)
- Universidad de Lund
- Laboratoire d'Optique Appliquée
- CERN
- DESY / Universidad de Hamburgo [23] [24]
Ver también
- Acelerador de pared dieléctrico
- Lista de artículos de física del plasma
Referencias
- ^ Tajima, T .; Dawson, JM (1979). "Acelerador de electrones láser" . Phys. Rev. Lett . 43 (4): 267–270. Código Bibliográfico : 1979PhRvL..43..267T . doi : 10.1103 / PhysRevLett.43.267 . S2CID 27150340 .
- ^ Joshi, C .; Mori, WB; Katsouleas, T .; Dawson, JM; Kindel, JM; Forslund, DW (1984). "Aceleración de partículas de gradiente ultra alto por ondas intensas de densidad de plasma impulsadas por láser". Naturaleza . 311 (5986): 525–529. Código bibliográfico : 1984Natur.311..525J . doi : 10.1038 / 311525a0 .
- ^ Katsouleas, T .; et al. Una propuesta para un experimento de aceleración de campo de despertador de plasma de 1 GeV en SLAC . IEEE. CiteSeerX 10.1.1.389.1097 . doi : 10.1109 / pac.1997.749806 . ISBN 0-7803-4376-X.
- ^ Takeda, S; et al. (27 de noviembre de 2014). "Electron Linac de instalación de acelerador de prueba para colisionador lineal" (PDF) . Parte. Accel . 30 : 153-159 . Consultado el 13 de octubre de 2018 .
- ^ Leemans, WP; et al. (24 de septiembre de 2006). "Rayos de electrones GeV de un acelerador de escala centimétrica" . Física de la naturaleza . Springer Nature. 2 (10): 696–699. Código Bibliográfico : 2006NatPh ... 2..696L . doi : 10.1038 / nphys418 . ISSN 1745-2473 .
- ^ Blumenfeld, Ian; et al. (2007). "Energía de duplicación de electrones de 42 GeV en un acelerador de campo de despertador de plasma a escala de metro". Naturaleza . Springer Nature. 445 (7129): 741–744. Código Bibliográfico : 2007Natur.445..741B . doi : 10.1038 / nature05538 . ISSN 0028-0836 . PMID 17301787 .
- ^ Cap. Sack y H.Schamel, Expansión del plasma al vacío: un enfoque hidrodinámico, Phys. Informes 156 (1987) 311-395
- ^ Wang, Xiaoming; et al. (11 de Junio de 2013). "Aceleración cuasi-monoenergética de láser-plasma de electrones a 2 GeV" . Comunicaciones de la naturaleza . Springer Nature. 4 (1): 1988. Bibcode : 2013NatCo ... 4E1988W . doi : 10.1038 / ncomms2988 . ISSN 2041-1723 . PMC 3709475 . PMID 23756359 .
- ^ Leemans, WP; et al. (8 de diciembre de 2014). "Haces de electrones multi-GeV de pulsos de láser de subpetavatios guiados por descarga capilar en el régimen de auto-atrapamiento" . Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 113 (24): 245002. Código Bibliográfico : 2014PhRvL.113x5002L . doi : 10.1103 / physrevlett.113.245002 . ISSN 0031-9007 . PMID 25541775 .
- ^ Litos, M .; et al. (2014). "Aceleración de alta eficiencia de un haz de electrones en un acelerador de wakefield de plasma" . Naturaleza . Springer Nature. 515 (7525): 92–95. Código Bibliográfico : 2014Natur.515 ... 92L . doi : 10.1038 / nature13882 . ISSN 0028-0836 . OSTI 1463003 . PMID 25373678 .
- ^ "Los investigadores alcanzaron un hito en la aceleración de partículas con plasma" . Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC. 5 de noviembre de 2014.
- ^ Assmann, R .; et al. (2014). "Aceleración de wakefield de plasma impulsada por protones: un camino hacia el futuro de la física de partículas de alta energía" . Física del plasma y fusión controlada . 56 (8): 084013. arXiv : 1401.4823 . Código Bibliográfico : 2014PPCF ... 56h4013A . doi : 10.1088 / 0741-3335 / 56/8/084013 . ISSN 1361-6587 . Consultado el 13 de octubre de 2018 .
- ^ "AWAKE: haciendo olas en la tecnología de los aceleradores" . Consultado el 20 de julio de 2017 .
- ^ "Récord mundial: el acelerador de plasma funciona todo el día" . phys.org . Consultado el 6 de septiembre de 2020 .
- ^ "Rekord: Längster Lauf eines Plasmabeschleunigers" . scinexx | Das Wissensmagazin (en alemán). 21 de agosto de 2020 . Consultado el 6 de septiembre de 2020 .
- ^ "Hito importante alcanzado en el camino hacia los aceleradores de partículas del futuro" . AZoM.com . 20 de agosto de 2020 . Consultado el 6 de septiembre de 2020 .
- ^ "Los aceleradores de plasma podrían superar las limitaciones de tamaño del Gran Colisionador de Hadrones" . phys.org . Consultado el 6 de septiembre de 2020 .
- ^ Maier, Andreas R .; Delbos, Niels M .; Eichner, Timo; Hübner, Lars; Jalas, Sören; Jeppe, Laurids; Jolly, Spencer W .; Kirchen, Manuel; Leroux, Vincent; Messner, Philipp; Schnepp, Matthias; Tronco, Maximiliano; Walker, Paul A .; Werle, Christian; Winkler, Paul (18 de agosto de 2020). "Decodificación de fuentes de variabilidad energética en un acelerador de plasma láser" . Physical Review X . 10 (3): 031039. doi : 10.1103 / PhysRevX.10.031039 . El texto y las imágenes están disponibles bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0 .
- ^ Caldwell, A. (2016). "Camino al DESPIERTO: Evolución del concepto" . Instrumentos y métodos nucleares en la Investigación Física Sección A . 829 : 3-16. arXiv : 1511.09032 . Código bibliográfico : 2016NIMPA.829 .... 3C . doi : 10.1016 / j.nima.2015.12.050 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-002B-2685-0 .
- ^ Katsouleas, T .; Dawson, JM (1983). "Un acelerador de ondas de plasma - Surfatron I". IEEE Trans. Nucl. Sci . 30 (4): 3241–3243. Código bibliográfico : 1983ITNS ... 30.3241K . doi : 10.1109 / TNS.1983.4336628 .
- ^ Rosenzweig, JB; et al. (4 de julio de 1988). "Observación experimental de la aceleración del campo de vigilia del plasma" . Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 61 (1): 98–101. Código Bibliográfico : 1988PhRvL..61 ... 98R . doi : 10.1103 / physrevlett.61.98 . ISSN 0031-9007 . PMID 10038703 .
- ^ "Instalación SPARC_LAB (fuentes para aceleradores de plasma y radiación Compton con láser y haz) en LNF" .
- ^ "DESY News: proyecto de acelerador innovador produce primer haz de partículas" . Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Consultado el 13 de octubre de 2018 .
- ^ "Fuentes de luz impulsadas por plasma láser" . LUX . Consultado el 23 de octubre de 2017 .
- Joshi, C. (2006). "Aceleradores de plasma". Scientific American . 294 (2): 40–47. Código Bibliográfico : 2006SciAm.294b..40J . doi : 10.1038 / scientificamerican0206-40 . PMID 16478025 .
- Katsouleas, T (2004). "Física del acelerador: los electrones cuelgan diez en la estela del láser". Naturaleza . 431 (7008): 515–516. Código Bibliográfico : 2004Natur.431..515K . doi : 10.1038 / 431515a . PMID 15457239 .
- Joshi, C .; Katsouleas, T. (2003). "Aceleradores de plasma en la frontera energética y sobre mesas". La física hoy . 56 (6): 47–51. Código bibliográfico : 2003PhT .... 56f..47J . doi : 10.1063 / 1.1595054 .
- Joshi, C. y Malka, V. (2010). "Centrarse en aceleradores de plasma impulsados por rayos y láser" . Nueva Revista de Física . 12 (4): 045003. doi : 10.1088 / 1367-2630 / 12/4/045003 .
enlaces externos
- Aceleración de plasma Wakefield: una guía
- Montando la Ola de Plasma del Futuro