БОДРСТВУЮЩИЙ - AWAKE

Плазменная ячейка AWAKE длиной 10 метров, разработанная Институтом физики Макса Планка.
Сцинтиллятор шириной один метр показывает, были ли они ускорены. По сути, это экран, который загорается всякий раз, когда через него проходит заряженная частица.
Установка источника электронов и пучка
Вид в разрезе ВЧ -пушки с фотоинжектором, которая создает сгусток электронов, инжектируемый в кильватерные поля плазмы.

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

Моделирование взаимодействия сгустков протонов (красные точки) с кильватерным полем плазмы (синие волны)

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.

использованная литература

внешние ссылки