|
AWAKE AWAKE (англ. Advanced WAKEfield Experiment) в ЦЕРНе — это эксперимент для подтверждения принципа плазменного ускорения электронов с использованием пучка протонов высокой энергии в качестве драйвера, создающего кильватерный след. Его цель — ускорить сгусток электронов (витнесс) с энергией от 15 до 20 МэВ до нескольких ГэВ на небольшом расстоянии (10 м) путём создания высокого темпа ускорения, до 1 ГэВ/м. Используемые в настоящее время ускорители частиц используют для ускорения стандартные или сверхпроводящие ВЧ-резонаторы, но они ограничены градиентом ускорения порядка 100 МэВ/м. МотивацияЦиклические ускорители неэффективны для транспортировки электронов с высокой энергией из-за больших потерь на синхротронное излучение. Линейные ускорители не имеют этой проблемы и поэтому лучше подходят для ускорения и транспортировки электронов при высоких энергиях[1][2]. Высокий градиент ускорения в установке AWAKE позволит создать новое поколение более коротких и менее дорогих ускорителей для получения частиц с высокой энергией, что представляет собой большой шаг в технологии ускорителей, особенно для линейных ускорителей электронов. Ускорение кильватерного поля плазмы, управляемое сгустком протонов Плазма состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных свободных электронов, оставаясь при этом макроскопически нейтральной. Если приложить сильное электрическое поле, ионы и электроны можно разделить в пространстве. При этом создаётся локальное электрическое поле, благодаря чему заряженная частица, попадающая в такую плазму ускоряется[3]. Когда драйвер, положительно заряженный сгусток протонов, проникает в плазму, он притягивает отрицательно заряженные электроны плазмы, они пролетают мимо пучка и начинают колебаться, создавая кильватерное поле. Взаимодействие кильватерного поля с инжектированной за протоном заряженной частицей можно интерпретировать так же, как взаимодействие сёрфера с волной. Последняя передаст свою энергию сёрферу, который таким образом ускорится. Электромагнитное поле в следе драйвера состоит из фаз замедления и ускорения, а также фаз фокусировки и дефокусировки. Таким образом, момент инжекции электронного сгустка в кильватерное поле имеет решающее значение, поскольку только часть (1/4) кильватерного поля одновременно фокусирует и ускоряет, что необходимо для захвата и ускорения электронов. AWAKE — это первый эксперимент с плазменным кильватерным полем, в котором в качестве драйвера используется пучок протонов. Протоны, как, например, протоны, из суперпротонного синхротрона в ЦЕРНе (SPS), несут большое количество энергии (~ 400 ГэВ). Следовательно, из-за истощения энергии они могут создавать кильватерные поля в плазме на гораздо большие расстояния, чем лазерный импульс или электронный сгусток используемый в качестве драйвера[4]. Плазму можно рассматривать как ансамбль осцилляторов, которые колеблются с плазменной частотой ωp2 =4nee2/εme, где ne — плотность электронов плазмы, me - масса электрона и e — элементарный заряд[5]. Чтобы резонансно возбуждать эти осцилляции, драйвер должен содержать компоненту Фурье, близкую к плазменной частоте ωp[5]. При этом длина ведомого сгустка (витнесс) должна быть близка к длине волны плазмы λ p (=2πc/ωp, где c — скорость света). Для плотности электронов в плазме, подобной AWAKE (ne ≈ 1•1015 см−3), что соответствует примерно λp ≈ 1 мм. Однако длина имеющихся в настоящее время сгустков протонов существенно превышает эту величину. Преимущество AWAKE формируется за счёт затравочной самомодуляции (SSM) сгустка протонов, движущегося через плазму, которая делит длинный сгусток протонов на короткие микросгустки с длиной волны плазмы, которые могут резонансно взаимодействовать с кильватерным полем[4][5]. Установка AWAKE Эксперимент AWAKE установлен в ЦЕРН, на территории бывшего объекта ЦЕРН «Нейтрино в Гран-Сассо» (CNGS). Это место было выбрано из-за его подземного расположения и специально спроектировано для использования пучков протонов высокой энергии без каких-либо значительных радиационных потерь[1]. Пучки протонов для AWAKE извлекаются из SPS CERN и транспортируются по лучу длиной около 800 метров к источнику пара AWAKE длиной 10 метров. Электронные витнесс-скустки инжектируются позади сгустка протонов[4]. Для регистрации ускорения инжектированных электронов после пара устанавливается дипольный магнит, искривляющий их путь. Чем больше энергия электрона, тем меньше кривизна его траектории. Затем ускоренные электроны детектируются на сцинтилляционном экране[2]. Источник пара содержит пары рубидия (Rb), которые ионизируются титан-сапфировым лазером. Источник пара окружён масляной баней. Установив температуру масла, можно зафиксировать и поддерживать равномерную плотность паров Rb вдоль источника паров. AWAKE использует лазерный импульс для ионизации паров Rb, который распространяеися коллинеарно с траекторией сгустка протонов. Острый край области взаимодействия пучка с плазмой вызывает самомодуляцию сгустка протонов, вызывая появления области плазмы длиной 10 м. Это также позволяет создать опорную фазу для начала кильватерного следа, которое необходимо для введения витнесса в нужной фазе для захвата и ускорения. Электроны получаются путём фотоэффекта, когда лазер светит на фотокатод радиочастотной пушки[6]. График тестов 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 луча и пустой источник пара 16 июня 2016 года. Первые данные о сгустке протонов внутри плазмы были получены в декабре 2016 года[4][2]. 26 мая 2018 года программа 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 увеличится, а эмиттанс, как ожидается, уменьшится. Планируется увеличить энергию электронов до 10 ГэВ. После этого этапа цель состоит в том, чтобы увеличить энергию как минимум до 50 ГэВ и обеспечить пучки для первых применений[8]. Примечания
Ссылки
|
