БОДРСТВУЮЩИЙ
Установка AWAKE ) ( Advanced WAKEfield Experiment в ЦЕРН — это эксперимент, подтверждающий принцип работы, который исследует ускорение плазмы в кильватерном поле с использованием сгустка протонов в качестве двигателя, что является первым в мире экспериментом. Его цель – ускорить низкоэнергетический сгусток электронов с энергией от 15 до 20 МэВ до нескольких ГэВ на небольшом расстоянии (10 м) путем создания высокого ускорения градиента в несколько ГВ/м. Используемые в настоящее время ускорители частиц, такие как LHC ЦЕРН , используют для ускорения стандартные или сверхпроводящие ВЧ-резонаторы, но они ограничены градиентом ускорения порядка 100 МВ/м.
Круговые ускорители неэффективны для транспортировки электронов высокой энергии из-за больших потерь энергии при синхротронном излучении . Линейные ускорители не имеют этой проблемы и поэтому лучше подходят для ускорения и транспортировки электронов при высоких энергиях. [1] [2]
Высокий градиент ускорения AWAKE позволит создать новое поколение более коротких и менее дорогих ускорителей высокой энергии , что представляет собой большой шаг в технологии ускорителей частиц, особенно линейных ускорителей электронов.
Ускорение кильватерного поля плазмы, управляемое сгустком протонов
[ редактировать ]
Плазма заряженных состоит из положительно ионов и отрицательно заряженных свободных электронов, оставаясь при этом макроскопически нейтральной. Если приложить сильное электрическое поле, ионы и электроны могут быть пространственно разделены. При этом создается локальное электрическое поле, благодаря чему заряженная частица, попадающая в такую плазму, может быть ускорена. [3]
Когда драйвер, положительно заряженный сгусток протонов, проникает в плазму, он притягивает отрицательно заряженные электроны плазмы, они пролетают мимо и начинают колебаться, создавая кильватерное поле. Взаимодействие частицей кильватерного поля с инжектированной за протоном заряженной можно интерпретировать так же, как взаимодействие серфера с волной. Последний передаст свою энергию серферу, который таким образом ускорится. Поле следа состоит из фаз замедления и ускорения, а также фаз фокусировки и дефокусировки. Таким образом, положение инжекции электронного сгустка в кильватерном поле имеет решающее значение, поскольку только часть (1/4) кильватерного поля одновременно фокусируется и ускоряется, что необходимо для захвата и ускорения электронов. AWAKE — это первый эксперимент с плазменным кильватерным полем, в котором в качестве двигателя используется пучок протонов. Протоны, как, например, протоны, образующие суперпротонный синхротрон ЦЕРН (SPS), могут переносить 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 в качестве драйвера. [4]
Плазму можно рассматривать как ансамбль осцилляторов с частотой плазменной частоты ω p 2 =4n е е 2 /εm e , где n e - электронов плазмы плотность , m e - электрона масса и e - элементарный заряд. [5] Чтобы резонансно возбуждать эти генераторы, драйвер должен содержать компоненту Фурье, близкую к плазменной частоте ω p . [5] При этом длина приводного сгустка должна быть близка к длине волны плазмы λ p (= 2πc/ω p, где c – скорость света ). Для AWAKE-подобной плотности (n e ≈ 1•10 15 см −3 ) это соответствует примерно λ p ≈ 1 мм. Однако длина имеющихся в настоящее время сгустков протонов существенно превышает эту величину. Прибыль AWAKE формируется за счет затравочной самомодуляции (SSM) сгустка протонов, движущегося через плазму, которая делит длинный сгусток протонов на короткие микросгустки с длиной волны плазмы, которые могут резонансно управлять кильватерным полем. [4] [5]
Центр ПРОБУЖДЕНИЕ
[ редактировать ]
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 было специально спроектировано для использования пучков протонов высокой энергии без каких-либо значительных радиационных проблем. [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 сгустки-свидетели инжектируются позади сгустка протонов. [4] Для регистрации ускорения инжектированных электронов дипольный магнит после пара устанавливается , искривляющий их путь. Чем больше энергия электрона, тем меньше кривизна его траектории. Затем сцинтилляционный экран обнаруживает ускоренные электроны. [2]
Источник пара содержит рубидия (Rb), пары которые ионизируются титан-сапфировым лазером . Источник пара окружен масляной баней. Установив температуру масла, можно установить и поддерживать равномерную плотность паров Rb вдоль источника паров.
AWAKE использует лазерный импульс для ионизации паров Rb. Распространяя лазерный импульс коллинеарно внутри сгустка протонов, острый край взаимодействия пучка с плазмой вызывает самомодуляцию сгустка протонов, вызывая рост плазмы длиной 10 м. Это также позволяет создать опорную фазу для начало следа, которое необходимо для введения сгустка-свидетеля на нужной фазе для захвата и ускорения. Электроны производятся путем направления лазера на фотокатод радиочастотной пушки. [6]
Хронология
[ редактировать ]
Первый запуск длился с 2016 по 2018 год. Десятиметровый источник пара был установлен 11 февраля 2016 года, а первый пучок протонов был отправлен через линию пучка и пустой источник пара 16 июня 2016 года. Первые данные со сгустком протонов Внутри плазмы был приобретен в декабре 2016 года. [4] [2] 26 мая 2018 года программа AWAKE впервые ускорила электронный луч. Пучок ускорялся с 19 МэВ до 2 ГэВ на расстоянии 10 м. [7]
Второй запуск запланирован на 2021–2024 годы. Градиент ускорения будет увеличен, 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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Колдуэлл, А.; Гшвендтнер, Э.; Лотов, К.; Мугли, П.; Винг, М., ред. (2013). Отчет о проекте AWAKE: эксперимент по ускорению вейкфилдской плазмы, управляемой протонами, в ЦЕРНе (отчет). Женева, Швейцария. ЦЕРН-SPSC-2013-013; SPSC-TDR-003.
- ^ Jump up to: а б с Райнова И., изд. (2017). ПРОБУЖДЕНИЕ: Ближе к революционной технологии ускорения (Отчет). Женева, Швейцария.
- ^ Джоши, К.; Мори, ВБ; Кацулеас, Т.; Доусон, Дж. М.; Киндел, Дж. М.; Форслунд, Д.В. (1984). «Сверхвысокоградиентное ускорение частиц интенсивными лазерными волнами плотности плазмы». Природа . 311 (5986): 525–529. Бибкод : 1984Natur.311..525J . дои : 10.1038/311525a0 . ISSN 0028-0836 .
- ^ Jump up to: а б с д Пандольфи, С., изд. (2016). Ускорение пробуждения: прибывает плазматическая ячейка AWAKE (Отчет). Женева, Швейцария.
- ^ Jump up to: а б с Кумар, Навин; Пухов, Александр; Лотов, Константин (2010). «Самомодуляционная нестабильность длинного сгустка протонов в плазме». Письма о физических отзывах . 104 (25): 255003. arXiv : 1003.5816 . Бибкод : 2010PhRvL.104y5003K . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.255003 . ПМИД 20867389 .
- ^ Мугли, П., изд. (2016). Прогресс в эксперименте в ПРОБУЖДЕНИИ (Отчет). doi : 10.18429/JACoW-NAPAC2016-WEPOA02 .
- ^ Адли, Э.; и др. (сотрудничество AWAKE) (2018). «Ускорение электронов в плазменном кильватерном поле протонного сгустка» . Природа . 561 (7723): 363–367. arXiv : 1808.09759 . Бибкод : 2018Natur.561..363A . дои : 10.1038/s41586-018-0485-4 . ISSN 0028-0836 . ПМК 6786972 . ПМИД 30188496 .
- ^ Энтони Хартин: Применение схемы ускорения AWAKE в физике элементарных частиц , EPS-HEP2019
Внешние ссылки
[ редактировать ]| Большой адронный коллайдер (БАК) | |
|---|---|
| Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) | |
| Суперпротонный синхротрон (СПС) | |
| Протонный синхротрон (ПС) | |
| Линейные ускорители | |
| Другие ускорители | |
| ИЗОЛЬДЕ объект | |
| Неускорительные эксперименты | |
| Будущие проекты | |
| Похожие статьи |
|
