БОДРСТВУЮЩИЙ - AWAKE
Наркоз ( Advanced Wakefield эксперимент ) объект в ЦЕРНЕ является доказательство правильности принципа эксперимента, который исследует Wakefield ускорения плазмы с помощью протонного пучка , как водитель, общемировой первого. Он направлен на ускорение низкоэнергетического сгустка электронов с 15-20 МэВ до нескольких ГэВ на коротком расстоянии (10 м) за счет создания высокого градиента ускорения в несколько ГВ / м. В используемых в настоящее время ускорителях частиц, таких как LHC ЦЕРНа, для ускорения используются стандартные или сверхпроводящие ВЧ-резонаторы, 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 синхротронном излучении . Линейные ускорители не имеют этой проблемы и поэтому лучше подходят для ускорения и транспортировки электронов при высоких энергиях.
Высокий градиент ускорения AWAKE позволит построить новое поколение более коротких и менее дорогих ускорителей высокой энергии , что представляет собой большой шаг в технологии ускорителей частиц, особенно для линейных ускорителей электронов.
Ускорение плазменного кильватерного поля под действием протонного сгустка
Плазма состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных свободных электронов, оставаясь при этом макроскопически нейтральной. Если приложить сильное электрическое поле, ионы и электроны могут быть пространственно разделены. Тем самым создается локальное электрическое поле, поэтому заряженная частица, попадающая в такую плазму, может быть ускорена. Когда драйвер, положительно заряженный сгусток протонов, проникает в плазму, он притягивает отрицательно заряженные электроны плазмы, они разлетаются и начинают колебаться, создавая кильватерное поле. Взаимодействие между Wakefield и заряженной частицей впрыснутой за протон можно интерпретировать как то же самое , как 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. Положение инжекции электронного сгустка в кильватерном поле, таким образом, имеет решающее значение, поскольку только часть (1/4) кильватерного поля одновременно сфокусирована и ускорена, что необходимо для захвата и ускорения электронов. AWAKE - это первый эксперимент с плазменным кильватерным полем, в котором в качестве драйвера используется связка протонов. Протоны, как, например, протоны из CERN SPS, могут нести большое количество энергии (~ 400 ГэВ). Следовательно, они могут создавать кильватерные поля в плазме на гораздо больших расстояниях, чем лазерный импульс или электронный сгусток в качестве драйвера из-за истощения энергии.
Плазму можно рассматривать как ансамбль осцилляторов с частотой плазменной частоты ω p 2 = 4n e e 2 / εm e , где n e - плотность электронов в плазме , m e - масса электрона и e - элементарный заряд. Для резонансного возбуждения этих осцилляторов драйвер должен содержать фурье- компоненту, близкую к плазменной частоте ω p . Причем длина ведущего пучка должна быть близка к длине волны плазмы λ p (= 2πc / ω p, где c - скорость света ). Для плотности, подобной пробуждению (n e ≈ 1 • 10 15 см −3 ), это соответствует приблизительно λ p ≈ 1 мм. Однако длина имеющихся в настоящее время протонных сгустков 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.
Центр пробуждения
Эксперимент AWAKE установлен в ЦЕРНе, на территории бывшего центра нейтрино ЦЕРН в Гран-Сассо (CNGS). Это место было выбрано из-за того, что оно расположено под землей, и оно было специально разработано для использования пучков протонов высокой энергии без каких-либо серьезных радиационных проблем.
Сгустки протонов для AWAKE извлекаются из CERN SPS и транспортируются по линии луча длиной ~ 800 метров к 10-метровому источнику пара AWAKE. Сгустки электронов-свидетелей инжектируются позади протонного сгустка. Чтобы обнаружить ускорение инжектированных электронов, за паром устанавливается дипольный магнит , искривляющий их путь. Чем больше энергия электрона, тем меньше кривизна его пути. Затем сцинтилляционный экран обнаруживает ускоренные электроны.
Источник пара содержит рубидий (Rb) пар , который ионизируется с помощью Ti: Sapphire лазера. Источник пара окружен масляной баней. Путем установки температуры масла можно установить плотность паров Rb и поддерживать ее равномерной вдоль источника пара.
AWAKE использует лазерный импульс для ионизации паров Rb. Распространяя лазерный импульс коллинеарно внутри протонного сгустка, жесткий край взаимодействия пучка и плазмы 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.
График
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 пучка и пустой источник пара 16 июня 2016 года. Первые данные с пучком протонов внутри плазмы был получен в декабре 2016 года. 26 мая 2018 года система AWAKE впервые ускорила электронный пучок. Пучок ускорялся с 19 МэВ до 2 ГэВ на расстоянии 10 м.
Второй запуск запланирован на 2021–2024 годы. Градиент ускорения будет увеличен, а эмиттанс, как ожидается, сократится. 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.