КІЛЬВАТЕРНЕ ПРИСКОРЕННЯ ЧАСТИНОК В ПЛАЗМІ

План лекції
Обмеження стандартних методів прискорення заряджених частинок
Основи кільватерного методу лазерного прискорення
Використання потужних лазерів та пучків заряджених частинок (електронів, протонів) для формування «бульбашкових» зон у плазмі.
Останні досягнення в області плазмового прискорення і найбільші проекти дослідження методів і інструментів для кільватерного прискорення в плазмі

Вимоги часу
Енергії до 100 ТеВ для адронів – «нова фізика»
Колайдери електронів-позитронів – точні і однозначні визначення фундаментальних модельних параметрів

LHC - > 6 млрд. доларів
FCC:
Future Circular Collider
100 ТеВ (pp)
340 ГеВ (e-e-)
80-100 км тунель
15-20 Т маг. поле
FCC - > ?? млрд доларів ? ∞

Обмеження:
100 МВ/м
Синхротронне
випромінювання
ILC - CLIC
Оцінена вартість – від 8 до 20 млрд. доларів

Обмеження в циклічному адронному колайдері
Обмеження в циклічному лептонному (e-e+) колайдері

Обмеження:
100 МВ/м
Синхротронне
випромінювання

Відмовляючись від циклічних прискорювачів – уникаємо проблеми потужних магнітів для повороту і втрат на синхротронне випромінювання
Але обмеження по градієнту поля вимагають довжин прискорюючих структур в 30 - 50 км

Діаграма Лівінгстона
Експоненційний ріст припиняється

Як мінімум один тунель, здається, закінчується світлом…
Де вихід з глухого кута???!!!
Plasma acceleration
Плазмові методи прискорення

Прогрес в розвитку потужних лазерів – мультитераватні і петаватні лазери
Напруженості поля - гігавольти і теравольти на м
Але це напруженості в поперечному напрямку, а потрібно – в повздовжньому напрямку

Ідея: використати плазму для конвертування поперечного електричного поля лазерного випромінювання в поздовжнє поле в плазмі

Принцип дії кільватерного поля
1.
2.
3.
4.

Звичайний лінійний прискорювач
Плазменний прискорювач
Поперечні поля в кільватерному методі треба контролювати

Лазерне і плазмове кільватерні поля

Експерименти у Французькому політехнічному інституті
Victor Malka
LOA, ENSTA – CNRS - École Polytechnique,
91761 Palaiseau cedex, France
State of Art of Laser-Plasma Accelerators
Laser beam
Electron beam
1 mm
Laser beam
proton beam
1 μm

Режим фокусування і «автофазування»
Потужність лазерів від 10 ТВт (настольні системи) і більше
Імпульси електронів довжиною до 10 фс !!!!!!!!
Розкид по енергії менше 10%, малий розкид по куту

Потужність лазерів від 10 Твт (настольні системи) і більше
Імпульси електронів довжиною до 10 фс !!!!!!!!

Прогрес в лазерній технології

Ефект достатньої потужності лазера для утворення нелінійного режиму з кавітаційними бульбашками

Прискорення в капілярі
Частково вирішує проблему зменшення густини плазми при одночасному забезпеченні значної довжини прискорення

В 2006 році досягнуто енергії 1 Гев з використанням прискорення в капілярі

Найбільші проекти (вибране)
http://www.eli-laser.eu/

http://www.lbl.gov/community/bella/
To use laser light to accelerate an electron beam to 10 GeV (10 billion electron volts) or more in the comparatively short distance of approximately one meter
BELLA
28 млн. доларів

FACET
https://portal.slac.stanford.edu/sites/ard_public/facet/Pages/default.aspx
20 млн. доларів
FACET provides high energy density electron and positron beams with peak currents of approximately 20 kA that are focused down to below 30x30 micron transverse spot size at an energy of 20 GeV.

FACET

FACET-II

CERN: AWAKE
(p-driven Plasma Acceleration)
http://awake.web.cern.ch/awake/

CERN: AWAKE
(p-driven Plasma Acceleration)
http://awake.web.cern.ch/awake/

LAOLA
DESY & Uni Hamburg
http://laola.desy.de/
20 млн. євро