Плазменное ускорение электронов с высокой эффективностью на SLAC
В Nature вышла статья группы, работающей на Стэнфордском линейном ускорителе SLAC. В ней сообщается о демонстрации высокой эффективности ускорения электронов в плазме. Расскажу пару слов об этом.
SLAC с высоты птичьего полёта.
Я уже писал о том, что для ускорения электронов разработаны методы ускорения с помощью мощных лазеров. Идея заключается в том, что распространяясь в газе, лазер её ионизирует, образуется плазма, в которой лазерным импульсом возбуждается волна, называемая кильватерной (wakefield). В этой волне есть разрежения и сгустки электронной плотности, и соответственно, есть продольное электрическое поле. Кроме того, эта волна бежит со скоростью (фазовой), равной скорости (групповой) лазерного импульса, то есть практически со скоростью света. С той же скоростью бежит и продольное электрическое поле. Если теперь в точке, где это поле направлено вдоль направления движения, посадить электрон, то он быстро наберёт релятивистскую энергию, и побежит со скоростью тоже близкой к скорости света. Получается синхронизм - всё бежит со скоростью чуть меньше скорости света, и электрон непрерывно ускоряется в одном направлении полем кильватерной волны. Таким методом достигнуты электроны с энергией до 3 ГэВ (гигаэлектронвольт - это как электрон, пролетевший разность потенциалов, равную один миллиардов вольт).
Структура кильватерной волны. Ускоряемые электроны - это тонкий пучок вблизи первой справа пучности. (Картинка взята из одного из моих расчётов).
Так вот, кильватерную волну можно возбуждать не только лазерным импульсом, но и электронным или даже протонным (или другим ионным) пучком. С протонным пучком всё довольно сложно, а электронный пучок отличается от лазерного импульса в этом случае довольно слабо. Только ионизацию надо делать предварительно чем-нибудь другим. Конечно, энергия электронов в таком пучке-драйвере уже должна быть достаточно высокой, но с его помощью, во-первых, можно ускорить пучок меньшего размера до более высоких энергий, а во-вторых, запустив два одинаковых пучка друг за другом, можно перекачать энергию из первого во второй. Такими экспериментами и занимаются на SLAC. Так, несколько лет назад, они смогли увеличить энергию электронов в пучке (пучок брался из их ускорителя) с 42 до 85 ГэВ.
Структура кильватерной волны в эксперименте SLAC. Credit: Nature.
В данном случае экспериментаторы сконцентрировались на проблеме эффективности. Действительно, обычно много энергии тратится на возбуждение кильватерной волны и так и остаётся в плазме, только небольшая часть передаётся ускоряемому пучку. Чтобы увеличить эффективность, они увеличила количество электронов в ускоряемом пучке. В эксперименте полный заряд пучка был доведён до 74 пикокулон, это около 600 млн электронов. При этом около 15-20% (более 30% в самой лучшей попытке) энергии пучка-драйвера было передано ускоряемым электронами, а их энергия увеличилась на 1,6 ГэВ (разброс по энергиям составил 1-2%).
Энергетический спектр электронов в ускоренном пучке для разных выстрелов, отсортированных по эффективности. Изначально электроны в пучке имели энергию 20,35 ГэВ.
Более подробной статьи ждите на Элементах на следующей неделе.
SLAC с высоты птичьего полёта.
Я уже писал о том, что для ускорения электронов разработаны методы ускорения с помощью мощных лазеров. Идея заключается в том, что распространяясь в газе, лазер её ионизирует, образуется плазма, в которой лазерным импульсом возбуждается волна, называемая кильватерной (wakefield). В этой волне есть разрежения и сгустки электронной плотности, и соответственно, есть продольное электрическое поле. Кроме того, эта волна бежит со скоростью (фазовой), равной скорости (групповой) лазерного импульса, то есть практически со скоростью света. С той же скоростью бежит и продольное электрическое поле. Если теперь в точке, где это поле направлено вдоль направления движения, посадить электрон, то он быстро наберёт релятивистскую энергию, и побежит со скоростью тоже близкой к скорости света. Получается синхронизм - всё бежит со скоростью чуть меньше скорости света, и электрон непрерывно ускоряется в одном направлении полем кильватерной волны. Таким методом достигнуты электроны с энергией до 3 ГэВ (гигаэлектронвольт - это как электрон, пролетевший разность потенциалов, равную один миллиардов вольт).
Структура кильватерной волны. Ускоряемые электроны - это тонкий пучок вблизи первой справа пучности. (Картинка взята из одного из моих расчётов).
Так вот, кильватерную волну можно возбуждать не только лазерным импульсом, но и электронным или даже протонным (или другим ионным) пучком. С протонным пучком всё довольно сложно, а электронный пучок отличается от лазерного импульса в этом случае довольно слабо. Только ионизацию надо делать предварительно чем-нибудь другим. Конечно, энергия электронов в таком пучке-драйвере уже должна быть достаточно высокой, но с его помощью, во-первых, можно ускорить пучок меньшего размера до более высоких энергий, а во-вторых, запустив два одинаковых пучка друг за другом, можно перекачать энергию из первого во второй. Такими экспериментами и занимаются на SLAC. Так, несколько лет назад, они смогли увеличить энергию электронов в пучке (пучок брался из их ускорителя) с 42 до 85 ГэВ.
Структура кильватерной волны в эксперименте SLAC. Credit: Nature.
В данном случае экспериментаторы сконцентрировались на проблеме эффективности. Действительно, обычно много энергии тратится на возбуждение кильватерной волны и так и остаётся в плазме, только небольшая часть передаётся ускоряемому пучку. Чтобы увеличить эффективность, они увеличила количество электронов в ускоряемом пучке. В эксперименте полный заряд пучка был доведён до 74 пикокулон, это около 600 млн электронов. При этом около 15-20% (более 30% в самой лучшей попытке) энергии пучка-драйвера было передано ускоряемым электронами, а их энергия увеличилась на 1,6 ГэВ (разброс по энергиям составил 1-2%).
Энергетический спектр электронов в ускоренном пучке для разных выстрелов, отсортированных по эффективности. Изначально электроны в пучке имели энергию 20,35 ГэВ.
Более подробной статьи ждите на Элементах на следующей неделе.