AWAKE

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Плазменная ячейка AWAKE длиной 10 метров, разработанная Институтом физики Макса Планка

AWAKE (англ. Advanced WAKEfield Experiment) в ЦЕРНе — это эксперимент для подтверждения принципа плазменного ускорения электронов с использованием пучка протонов высокой энергии в качестве драйвера, создающего кильватерный след. Его цель — ускорить сгусток электронов (витнесс) с энергией от 15 до 20 МэВ до нескольких ГэВ на небольшом расстоянии (10 м) путём создания высокого темпа ускорения, до 1 ГэВ/м. Используемые в настоящее время ускорители частиц используют для ускорения стандартные или сверхпроводящие ВЧ-резонаторы, но они ограничены градиентом ускорения порядка 100 МэВ/м.

Мотивация

Циклические ускорители неэффективны для транспортировки электронов с высокой энергией из-за больших потерь на синхротронное излучение. Линейные ускорители не имеют этой проблемы и поэтому лучше подходят для ускорения и транспортировки электронов при высоких энергиях[1][2].

Высокий градиент ускорения в установке AWAKE позволит создать новое поколение более коротких и менее дорогих ускорителей для получения частиц с высокой энергией, что представляет собой большой шаг в технологии ускорителей, особенно для линейных ускорителей электронов.

Ускорение кильватерного поля плазмы, управляемое сгустком протонов

План экспериментальной уставовки AWAKE.

Плазма состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных свободных электронов, оставаясь при этом макроскопически нейтральной. Если приложить сильное электрическое поле, ионы и электроны можно разделить в пространстве. При этом создаётся локальное электрическое поле, благодаря чему заряженная частица, попадающая в такую плазму ускоряется[3].

Когда драйвер, положительно заряженный сгусток протонов, проникает в плазму, он притягивает отрицательно заряженные электроны плазмы, они пролетают мимо пучка и начинают колебаться, создавая кильватерное поле. Взаимодействие кильватерного поля с инжектированной за протоном заряженной частицей можно интерпретировать так же, как взаимодействие сёрфера с волной. Последняя передаст свою энергию сёрферу, который таким образом ускорится. Электромагнитное поле в следе драйвера состоит из фаз замедления и ускорения, а также фаз фокусировки и дефокусировки. Таким образом, момент инжекции электронного сгустка в кильватерное поле имеет решающее значение, поскольку только часть (1/4) кильватерного поля одновременно фокусирует и ускоряет, что необходимо для захвата и ускорения электронов. AWAKE — это первый эксперимент с плазменным кильватерным полем, в котором в качестве драйвера используется пучок протонов. Протоны, как, например, протоны, из суперпротонного синхротрона в ЦЕРНе (SPS), несут большое количество энергии (~ 400 ГэВ). Следовательно, из-за истощения энергии они могут создавать кильватерные поля в плазме на гораздо большие расстояния, чем лазерный импульс или электронный сгусток используемый в качестве драйвера[4].

Плазму можно рассматривать как ансамбль осцилляторов, которые колеблются с плазменной частотой ωp2 =4nee2/εme, где ne — плотность электронов плазмы, me - масса электрона и e — элементарный заряд[5]. Чтобы резонансно возбуждать эти осцилляции, драйвер должен содержать компоненту Фурье, близкую к плазменной частоте ωp[5]. При этом длина ведомого сгустка (витнесс) должна быть близка к длине волны плазмы λ p (=2πc/ωp, где c — скорость света). Для плотности электронов в плазме, подобной AWAKE (ne ≈ 1•1015 см−3), что соответствует примерно λp ≈ 1 мм. Однако длина имеющихся в настоящее время сгустков протонов существенно превышает эту величину. Преимущество AWAKE формируется за счёт затравочной самомодуляции (SSM) сгустка протонов, движущегося через плазму, которая делит длинный сгусток протонов на короткие микросгустки с длиной волны плазмы, которые могут резонансно взаимодействовать с кильватерным полем[4][5].

Установка AWAKE

20 МэВ ускоряющая секция пучка электронов (справа) и канал транспортировки к секции плазменного ускорения.

Эксперимент AWAKE установлен в ЦЕРН, на территории бывшего объекта ЦЕРН «Нейтрино в Гран-Сассо» (CNGS). Это место было выбрано из-за его подземного расположения и специально спроектировано для использования пучков протонов высокой энергии без каких-либо значительных радиационных потерь[1].

Пучки протонов для AWAKE извлекаются из SPS CERN и транспортируются по лучу длиной около 800 метров к источнику пара AWAKE длиной 10 метров. Электронные витнесс-скустки инжектируются позади сгустка протонов[4]. Для регистрации ускорения инжектированных электронов после пара устанавливается дипольный магнит, искривляющий их путь. Чем больше энергия электрона, тем меньше кривизна его траектории. Затем ускоренные электроны детектируются на сцинтилляционном экране[2].

Источник пара содержит пары рубидия (Rb), которые ионизируются титан-сапфировым лазером. Источник пара окружён масляной баней. Установив температуру масла, можно зафиксировать и поддерживать равномерную плотность паров Rb вдоль источника паров.

AWAKE использует лазерный импульс для ионизации паров Rb, который распространяеися коллинеарно с траекторией сгустка протонов. Острый край области взаимодействия пучка с плазмой вызывает самомодуляцию сгустка протонов, вызывая появления области плазмы длиной 10 м. Это также позволяет создать опорную фазу для начала кильватерного следа, которое необходимо для введения витнесса в нужной фазе для захвата и ускорения. Электроны получаются путём фотоэффекта, когда лазер светит на фотокатод радиочастотной пушки[6].

График тестов

Протоны (красные точки), взаимодействующие с плазменным кильватерным полем (синие волны)

Первый запуск длился с 2016 по 2018 год. Источник пара длиной десять метров был установлен 11 февраля 2016 года, а первый пучок протонов был отправлен через линию луча и пустой источник пара 16 июня 2016 года. Первые данные о сгустке протонов внутри плазмы были получены в декабре 2016 года[4][2]. 26 мая 2018 года программа AWAKE впервые ускорила электронный пучок. Пучок ускорялся с 19 МэВ до 2 ГэВ на расстоянии 10 м[7].

Второй запуск запланирован на 2021—2024 годы. Градиент ускорения увеличится, а эмиттанс, как ожидается, уменьшится. Планируется увеличить энергию электронов до 10 ГэВ. После этого этапа цель состоит в том, чтобы увеличить энергию как минимум до 50 ГэВ и обеспечить пучки для первых применений[8].

Примечания

  1. ↑ 1 2 Caldwell, A.; Gschwendtner, E.; Lotov, K.; Muggli, P.; Wing, M., eds. (2013). AWAKE Design Report: A Proton-Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment at CERN (Report). Geneva, Switzerland. CERN-SPSC-2013-013 ; SPSC-TDR-003.публикация в открытом доступе
  2. ↑ 1 2 3 Raynova, I., ed. (2017). AWAKE: Closer to a breakthrough acceleration technology (Report). Geneva, Switzerland.публикация в открытом доступе
  3. ↑ Joshi, C.; Mori, W. B.; Katsouleas, T.; Dawson, J. M.; Kindel, J. M.; Forslund, D. W. (1984). "Ultrahigh gradient particle acceleration by intense laser-driven plasma density waves". Nature. 311 (5986): 525—529. Bibcode:1984Natur.311..525J. doi:10.1038/311525a0. ISSN 0028-0836.
  4. ↑ 1 2 3 4 Pandolfi, S., ed. (2016). Awakening acceleration: AWAKE's plasma cell arrives (Report). Geneva, Switzerland.публикация в открытом доступе
  5. ↑ 1 2 3 Kumar, Naveen; Pukhov, Alexander; Lotov, Konstantin (2010). "Self-Modulation Instability of a Long Proton Bunch in Plasmas". Physical Review Letters. 104 (25): 255003. arXiv:1003.5816. Bibcode:2010PhRvL.104y5003K. doi:10.1103/PhysRevLett.104.255003. PMID 20867389.
  6. ↑ Muggli, P., ed. (2016). Progress toward an experiment at AWAKE (Report). doi:10.18429/JACoW-NAPAC2016-WEPOA02.публикация в открытом доступе
  7. ↑ Adli, E.; et al. (2018). "Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch". Nature. 561 (7723): 363—367. arXiv:1808.09759. Bibcode:2018Natur.561..363A. doi:10.1038/s41586-018-0485-4. ISSN 0028-0836. PMC 6786972. PMID 30188496.публикация в открытом доступе
  8. ↑ Anthony Hartin: Particle physics applications of the AWAKE acceleration scheme, EPS-HEP2019

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=AWAKE&oldid=138465019