БОДРСТВУЮЩИЙ - AWAKE

Для использования в других целях см. Пробудитесь (значения).
AWAKE длиной 10 метров плазма ячейка, разработанная Институт физики Макса Планка
Один метр шириной сцинтиллятор показывая, были ли они ускорены. По сути, это экран, который загорается всякий раз, когда через него проходит заряженная частица.[1]
Электрон установка источника и пучка
Вид в разрезе РФ фотоинжекторная пушка, которая производит электронный сгусток, который вводится в плазма Wakefields

В БОДРСТВУЮЩИЙ (Расширенный эксперимент WAKEfield) объект в ЦЕРН это экспериментальный эксперимент, в котором исследуется плазменное ускорение используя протон связка как водитель, первая в мире. Он нацелен на ускорение низкоэнергетической группы свидетелей электроны от 15-20 млнэВ до нескольких ГэВ на коротком расстоянии (10 м) за счет создания высокого ускорение градиент несколько ГВ / м. Ускорители элементарных частиц, используемые в настоящее время, такие как ЦЕРН LHC, используйте стандартные или сверхпроводящие ВЧ-резонаторы для ускорения, но они ограничены градиентом ускорения порядка 100 МВ / м.

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

Высокий градиент ускорения AWAKE позволит создать новое поколение более коротких и менее дорогих высокоэнергетических ускорители, представляющий собой большой шаг в развитии технологии ускорителей частиц, особенно линейных ускорителей электронов.

Ускорение плазменного кильватерного поля под действием протонного сгустка

Моделирование взаимодействия сгустков протоны (красные точки) и плазма Wakefield (синие волны)

Плазма состоит из положительно заряжен ионы и отрицательно заряженные свободные электроны, оставаясь макроскопически нейтральными. Если приложить сильное электрическое поле, ионы и электроны могут быть пространственно разделены. Тем самым создается локальное электрическое поле, поэтому заряженная частица, входящая в такую ​​плазму, может быть ускорена.[3]Когда драйвер, положительно заряженный сгусток протонов, проникает в плазму, он притягивает отрицательно заряженные электроны плазмы, они разлетаются и начинают колебаться, создавая кильватерное поле. В взаимодействие между полем пробуждения и заряженным частица введенный за протоном можно интерпретировать как то же, что и между серфером и волной. Последний передаст свою энергию серферу, который, таким образом, получит ускорение. Кильватерное поле состоит из фазы замедления и ускорения, а также фазы фокусировки и расфокусировки. Таким образом, положение инжекции электронного сгустка в кильватерном поле имеет решающее значение, поскольку только часть (1/4) кильватерного поля одновременно сфокусирована и ускорена, что необходимо для захвата и ускорения электронов. эксперимент Wakefield с использованием пучка протонов в качестве драйвера. Протоны, например протоны, образующие СПС ЦЕРН, могут нести большое количество энергии (~ 400 ГэВ). Следовательно, они могут создавать кильватерные поля в плазме на гораздо больших расстояниях, чем лазерный импульс или сгусток электронов в качестве драйвера из-за истощения энергии.[4]

Плазму можно рассматривать как ансамбль генераторы с частота плазменной частоты ωп2= 4nее2/ εmе, с nе плазменный электрон плотность, ме электрон масса и е элементарный заряд.[5] Для резонансного возбуждения этих генераторов драйвер должен содержать Фурье составляющая, близкая к плазменной частоте ωп.[5] Причем длина приводного пучка должна быть близка к длине волны плазмы λп (= 2πc / ωп с c - это скорость света ). Для ПРОБУЖДЕНИЯ как плотность (nе ≈ 1•1015 см−3) это примерно соответствует λп ≈ 1 мм. Длина имеющихся в настоящее время сгустков протонов значительно превышает это значение. Прибыль от AWAKE формируется за счет засеянной самомодуляции (SSM) протонного сгустка, проходящего через плазму, которая делит длинный протонный сгусток на короткие микропучки с длиной волны плазмы, которая может резонансно управлять кильватерным полем.[4][5]

Центр пробуждения

Эксперимент AWAKE установлен в ЦЕРНе, в бывшем ЦЕРН Нейтрино в Гран-Сассо (АГНКС). Это место было выбрано из-за его подземного расположения и было специально разработано для использования пучков протонов высокой энергии без каких-либо значительных радиация проблема.[2]

Сгустки протонов для AWAKE извлекаются из SPS в ЦЕРНе и транспортируются по линии луча длиной ~ 800 метров к 10-метровому источнику пара AWAKE. Сгустки электронов-свидетелей инжектируются позади протонного сгустка.[4] Чтобы обнаружить ускорение инжектированных электронов, дипольный магнит устанавливается после пара, загибая свой путь. Чем больше энергия электрона, тем меньше кривизна его пути. Затем сцинтилляционный экран обнаруживает ускоренные электроны.[1]

Источник пара содержит Рубидий (Руб) пар который ионизируется титан-сапфировым лазером. Источник пара окружен масляной баней. Установив температура Для масла плотность паров Rb может быть задана и поддерживаться постоянной вдоль источника пара.

AWAKE использует лазерный импульс для ионизации паров Rb. Распространяя лазерный импульс коллинеарно внутри протонного сгустка, жесткий край взаимодействия пучка с плазмой вызывает самомодуляцию протонного сгустка, вызывая рост в плазме длиной 10 м. Это также позволяет создать опорную фазу для начало кильватерного поля, которое необходимо для введения группы свидетелей в нужную фазу для захвата и ускорения. Электроны производятся путем посылки лазера на фотокатод ВЧ-пушки.[6]

График

Первый запуск длился с 2016 по 2018 год. Источник пара длиной 10 метров 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 с пучком протонов Внутри плазма была приобретена в декабре 2016 года.[4][1]26 мая 2018 года компания 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 будет увеличен, а эмиссия ожидается сокращение. Планируется увеличить энергию электронов до 10 ГэВ. После этого этапа цель состоит в том, чтобы увеличить энергию как минимум до 50 ГэВ и обеспечить лучи для первых применений.[8]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Райнова, И., Под ред. (2017). ПРОБУЖДЕНИЕ: ближе к прорывной технологии ускорения (Отчет). Женева, Швейцария.открытый доступ
  2. ^ а б Caldwell, A .; Gschwendtner, E .; Лотов, К .; Muggli, P .; Винг, М., ред. (2013). Отчет AWAKE Design: эксперимент по ускорению плазменного поля пробуждения протонами в ЦЕРН (Отчет). Женева, Швейцария. CERN-SPSC-2013-013; SPSC-TDR-003.открытый доступ
  3. ^ Joshi, C .; Mori, W. B .; Katsouleas, T .; Dawson, J.M .; Kindel, J.M .; Форслунд, Д. В. (1984). «Ускорение сверхвысокого градиента частиц с помощью мощных лазерных волн плотности плазмы». Природа. 311 (5986): 525–529. Bibcode:1984Натура.311..525J. Дои:10.1038 / 311525a0. ISSN  0028-0836.
  4. ^ а б c d Пандольфи, С., изд. (2016). Ускорение пробуждения: прибытие плазматической клетки AWAKE (Отчет). Женева, Швейцария.открытый доступ
  5. ^ а б c Кумар, Навин; Пухов, Александр; Лотов, Константин (2010). «Автомодуляционная неустойчивость длинного протонного сгустка в плазме». Письма с физическими проверками. 104 (25): 255003. arXiv:1003.5816. Bibcode:2010ПхРвЛ.104у5003К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.104.255003. PMID  20867389.
  6. ^ Muggli, P., ed. (2016). Прогресс к эксперименту в AWAKE (отчет). Дои:10.18429 / JACoW-NAPAC2016-WEPOA02.открытый доступ
  7. ^ Адли, Э .; и другие. (Сотрудничество AWAKE) (2018). «Ускорение электронов в плазменном кильватерном поле протонного сгустка». Природа. 561 (7723): 363–367. arXiv:1808.09759. Bibcode:2018Натура.561..363A. Дои:10.1038 / s41586-018-0485-4. ISSN  0028-0836. PMID  30188496.открытый доступ
  8. ^ Энтони Хартин: Применение схемы ускорения AWAKE в физике элементарных частиц, EPS-HEP2019

внешняя ссылка