Консорциум нескольких физических институтов со всего мира представил детальный план строения установки и целей EuPRAXIA — источника высокоэнергетических электронов и рентгеновского излучения на основе кильватерного ускорения. Ключевыми особенностями EuPRAXIA будут использование инновационных методов ускорения частиц и ориентации на прикладные задачи, в которых установка будет занимать нишу рентгеновских лазеров на свободных электронах, говорится в документе. EuPRAXIA (European Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications — Европейский плазменный исследовательский ускоритель с выдающимися приложениями) — это международный проект строительства нового ускорительного комплекса с фокусом на прикладные задачи. Установка будет генерировать рентгеновские лучи путем синхротронного излучения высокоэнергетических электронов при их движении в магнитном поле.

В этом смысле проект похож на существующие сегодня лазеры на свободных электронах, но важным отличием является способ ускорения частиц: в большинстве существующих сегодня установок используются радиочастотные полости, а в EuPRAXIA предполагается применить кильватерное ускорение.

Кильватерное ускорение заряженных частиц возникает, если специальным воздействием (драйвером) специфически возмутить плазму. При нужных параметрах драйвера легкие электроны успевают сдвинуться, а тяжелые ионы остаются практически на тех же местах, в результате локально создавая огромные градиенты электрического поля, недоступные для получения иными способами. В таком случае можно вслед за драйвером согласованно пустить пучок электронов, которые будут эффективно набирать энергию. В качестве драйвера может выступать сгусток заряженных частиц (протонов или электронов), а также импульс лазерного излучения.

На данный момент кильватерное ускорение используется только в экспериментальных установках. В них удалось достичь градиентов накопления энергии на уровне 100 гигаэлектронвольт на метр, что примерно в тысячу раз больше, чем у радиочастотных полостей, который применяются, в том числе, в Большом адронном коллайдере. Однако крупных установок ни научного, ни прикладного плана пока не существует.

Сводный отчет проекта EuPRAXIA был завершен в октябре, но до сих пор не был официально анонсирован участниками коллаборации из 30 институтов, в которую также входя два российских — Институт прикладной физики РАН и Объединенный институт высоких температур РАН. В документе говорится, что ученые в качестве драйверов кильватерного ускорителя рассматривают как лазерные импульсы, так и электроны.

На выходе будут получаться пучки электронов с энергией от одного до пяти гигаэлектронвольт, которые можно использовать для медицинской диагностики, генерации позитронов и изучения материалов. Однако основным применением будет генерация рентгеновского излучения по схеме лазеров на свободных электронах, но размер установки будет в разы меньше: ученые оценивают минимум шестикратную экономию суммарной площади.

Проект не фиксирует окончательный вариант EuPRAXIA, а предоставляет анализ нескольких возможных вариантов. Ускоритель минимального масштаба, который будет использовать только один вид драйвера, обойдется примерно в 70 миллионов евро. Наиболее дорогим оказывается проект строительства в разных местах двух отдельных установок, специализирующихся на разных типах драйверов. В таком случае физики оценивают стоимость на уровне 320 миллионов евро. Также нет определенности в месте строительства. Основным вариантом называется итальянский Национальный институт ядерной физики недалеко от Рима, но также рассматривается Национальный оптический институт в Пизе, лазерный центр под Прагой в Чехии и Лаборатория Резерфорда — Эплтона в Великобритании.

Ранее в этом году был установлен новый рекорд лазерно-плазменного ускорения электронов — электроны приобрели энергию свыше восьми гигаэлектронвольт на дистанции всего в 20 сантиметров. Также в этом году удалось добиться рекордного ускорения электронов терагерцовым импульсом.

Справка:

Кильватерное ускорение для получения более высоких темпов ускорения основано на передаче энергии от сгустков сильноточного возбуждающего электронного пучка сгусткам слаботочного пучка. Получены напряженности ускоряющего кильватерного поля в десятки ГэВ/м в диэлектрических и плазменных ускорителях. Разрабатываются лазарные и пучковые плазменные коллайдеры.

В диэлектрическом кильватерном ускорителе (ДКУ) кильватерное поле, наводится короткими релятивистскими электронными импульсами, содержащими один сгусток или последовательность сгустков, которые инжектируются из другого ускорителя. Проходя через ускоряющую структуру ДКУ, релятивистские электроны создают поля Вавилова – Черенкова, которые направлены под углом наружу. Волны этих полей отражаются диэлектриком или его покрытием в направлении центральной оси и создают аксиальное поле, которое и ускоряет электроны [1]. Может ускоряться или часть электронов, входящих в возбуждающий сгусток, или релятивистские электроны сгустка от другого источника, которые вводятся в кильватерное поле с небольшой задержкой относительно возбуждающего сгустка.

Ускорение электронов может осуществляться также в другом, втором диэлектрическом кильватерном ускорителе ДКУ, куда по короткому волноводу подводится ВЧ энергия кильватерного поля из первого ДКУ.

Для создания больших ускоряющих кильватерных полей должны применяться структуры с высоким импедансом.

Таким образом, существует несколько методов создания кильватерного ускорения в ДКУ. Естественно самым простым является метод, когда в кильватерном поле ускоряются электроны, находящиеся в тех же сгустках, которые возбуждают это поле. Возможность реализации этого метода и физическое объяснение происходящих в этом процессах подробно рассмотрены, например, в работе сотрудников Харьковского Физико-технического Института, ХФТИ, (Украина) [1]. При проведении экспериментальных работ ими использовался S-диапазонный волноводный металлический ускоритель «Алмаз-2» на энергию 4,5 МэВ, который ускорял заряд, равный 16 пК в каждом из 6000 сгустков, следующих с частотой следования 360 1/с. Средний ток в импульсе с длительностью 2 мкс составлял ~ 0,5 А. Посредством изменения рабочей частоты ВЧ колебаний изменялась ширина энергетического спектра ускоренных электронов. Эффект кильватерного ускорения достигался, при длине дрейфа ~1,5м между возбуждающим длительностью 2 мкс составлял ~ 0,5 А. Посредством изменения рабочей частоты ВЧ колебаний изменялась ширина энергетического спектра ускоренных электронов. Эффект кильватерного ускорения достигался, при длине дрейфа ~1,5м между возбуждающим ускорителем и прямоугольным резонатором с поперечным сечением 8,5×8 см., возбуждаемом этим импульсом. Вдоль узких стенок резонатора располагались диэлектрические пластины из фторопласта (ε = 2,1; tgδ = 1,5∙10^-4). Использовался вид колебаний LSM _1,1,10.

При узком спектре (9%) практически все электроны сгустка теряли энергию на возбуждение кильватерного поля. Ускоренные электроны не обнаруживались, что объяснялось малым расплыванием сгустка на длине дрейфа. Длина сгустка не превышала половину длины возбужденной волны, и электроны не попадали в ускоряющую часть кильватерного поля.

При начальной ширине энергетического спектра 12% кроме замедленных электронов наблюдались также ускоренные электроны, что свидетельствовало об их попадании в ускоряющую фазу кильватерного поля. Максимальный прирост энергии, который составлял 0,5 МэВ, соответствовал напряженности кильватерного поля в резонаторе, равной ≈1 МВ/м. В работе отмечается, что энергию больше исходной получают электроны передней части сгустка, обладающие большей энергией. Электроны задней части при попадании в ускоряющую часть кильватерного поля не успевают набрать энергию превышающую исходную. Кроме того, они смещаются в тормозящую фазу кильватерного поля.

При начальной ширине энергетического спектра 22% длина сгустка составляла 6,18 см, что превышало половину длины кильватерной волны. При такой длине сгустка взаимодействие сгустков с диэлектрической структурой заметно уменьшалось, и амплитуда наведенной волны падала, хотя все еще наблюдались как замедленные, так и ускоренные электроны.

Автор: Тимур Кешелава
Источники: https://nplus1.ru/, http://nuclphys.sinp.msu.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!