플라즈마 가속도

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플라즈마 가속은 전자 플라즈마 파동과 관련된 전기장 또는 기타 고농도 플라즈마 구조(충격 및 피복장 등)를 이용하여 전자, 양전자, 이온과 같은 전하 입자를 가속하는 기법이다.플라즈마 가속 구조는 초단거리 레이저 펄스 또는 플라즈마 파라미터와 일치하는 정력적인 입자 빔을 사용하여 생성된다.이러한 기법은 기존 장치보다 훨씬 작은 크기의 고성능 입자 가속기를 제작할 수 있는 방법을 제공한다.플라즈마 가속의 기본 개념과 그 가능성은 원래 타지마 도시키와 존 M에 의해 구상되었다. 1979년 UCLA의 도슨.^[1]"웨이크필드" 가속기의 초기 실험 설계는 Chandrashekhar J. Joshi 외 연구진에 의해 UCLA에서 구상되었다.^[2]현재의 실험 기기는 매우 짧은 거리에 걸쳐 현재의 입자 가속기보다 몇 배의 가속 구배를 보여주며, 1미터 눈금에서는 약 1 GeV/m의^[3] 가속기(RF 가속기의^[4] 경우 0.1 GeV/m 대 0.1 GeV/m)의 가속도를 보여준다.null

플라즈마 가속기는 고에너지 물리학에서 의료 및 산업용 응용에 이르는 다양한 응용을 위한 저렴하고 컴팩트한 가속기의 혁신에 대한 엄청난 가능성을 가지고 있다.의료 애플리케이션에는 진단 또는 방사선 치료를 위한 베타트론 및 자유 전자 광원과 하드론 치료를 위한 양성자 광원이 포함된다.플라즈마 가속기는 일반적으로 플라즈마 밀도 파동에 의해 생성되는 웨이크필드를 사용한다.그러나 플라즈마 가속기는 사용되는 플라스마의 특성에 따라 여러 가지 다른 방식에서 작동할 수 있다.null

예를 들어 로렌스 버클리 국립연구소의 실험용 레이저 플라즈마 가속기는 약 3.3cm(5.4x10g²⁰_n)에 걸쳐 전자를 1GeV로 가속시키고,^[5] SLAC의 기존 가속기(전자 에너지 가속기 최고) 1개는 같은 에너지에 도달하기 위해 64m가 필요하다.마찬가지로 플라스마스를 사용하여 플라즈마 웨이크필드 가속기(8.9x10²⁰ g_n)를 사용하여 단 85 cm의 SLAC SLC 빔(42 GeV)을 사용하여 40 GeV 이상의 에너지 이득을 얻었다.^[6]일단 완전히 개발되면, 이 기술은 현재 입자 충돌기, 병원 및 연구 시설에서 발견되는 많은 전통적인 RF 가속기를 대체할 수 있을 것이다.null

마지막으로, 플라즈마를 진공으로 확장하는 동안 이온 가속도 언급되지 않으면 플라즈마 가속이 완료되지 않을 것이다.예를 들어 이 프로세스는 레이저 고형 대상 상호작용에서 발생하며 흔히 대상 정상 피복 가속이라고 한다.팽창하는 플라즈마의 스파이크하고 빠른 이온 전면을 책임지는 것은 진화의 초기 단계에서 일어나는 이온파파괴 과정이며, 삭-샤멜 방정식으로 설명된다.^[7]null

역사

텍사스 오스틴 소재 텍사스 대학의 페타와트 레이저 시설은 약 2cm(1.6x10g²¹)에_n 걸쳐 전자를 2GeV로 가속시켰다.^[8]이 기록은 2014년 로렌스 버클리 국립 연구소의 벨라(레이저) 센터의 과학자들이 4.25 GeV까지의 전자 빔을 생산하면서 2배 이상 깨졌다.^[9]

2014년 말, 첨단가속기 실험시험 시설(FACET)을 사용하는 SLAC 국립가속기 실험실의 연구원들은 플라즈마 가속기술의 실행가능성에 대한 증거를 발표했다.일반 선형 가속기 설계에 비해 400~500배 높은 에너지 전달을 달성할 수 있는 것으로 나타났다.^[10][11]null

Super Proton Synchrotron의 400 GeV 양성자 빔을 이용한 원리 증명 플라즈마 웨이크필드 가속기 실험이 현재 CERN에서 운용되고 있다.^[12]AWAK라는 이름의 이 실험은 2016년 말에 실험을 시작했다.^[13]null

2020년 8월 과학자들은 레이저 플라즈마 가속기 개발에 획기적인 성과를 거두고 30시간의 가장 긴 안정적 작동을 입증했다고 보고했다.^{[14][15][16][17][18]}null

개념

웨이크필드 가속

플라즈마는 일반적으로 희석 가스를 가열하거나 광이온화(직접/터널링/멀티포톤/방벽 억제)하여 생성되는 양극 및 음극 전하 입자의 유체로 구성된다.정상 조건에서 플라스마는 평형 상태에서 전자와 이온의 동일한 혼합인 거시적으로 중립(또는 준중립)이 될 것이다.그러나 충분히 강한 외부 전기장이나 전자기장을 적용하면 배경 이온(1836배수)에 비해 매우 가벼운 플라즈마 전자가 거대한 이온과 공간적으로 분리되어 혼란한 부위에 전하 불균형이 생긴다.그러한 플라즈마에 주입되는 입자는 전하 분리장에 의해 가속될 것이지만, 이 분리의 크기는 일반적으로 외부장과 비슷하기 때문에, 단순히 그장을 입자에 직접 적용하는 종래의 시스템에 비해 얻는 것은 분명히 아무것도 없다.그러나 플라즈마 매체는 전자파의 가로장 중 가장 효율적인 변압기(현재 알려진)로서 플라스마파의 세로장 역할을 한다.기존의 가속기 기술에서는 극도의 강도의 장을 가로로 전파하는 것에서 입자가 킥을 얻을 수 있는 세로장으로 변환하기 위해 적절히 설계된 다양한 재료가 사용된다.이 과정은 두 가지 접근방식, 즉 공진공진동(communant cavius) 또는 디스크가 탑재된 도파관과 같은 이동파 구조물을 사용하여 달성된다.그러나, 더 높은 분야와 상호작용하는 물질의 제한은 결국 이온화와 파괴를 통해 파괴된다는 것이다.여기서 플라즈마 가속기 과학은 실험실에서 과학에 의해 생산된 가장 높은 분야를 생성, 지속, 이용할 수 있는 돌파구를 제공한다.null

이 시스템을 유용하게 만드는 것은 기존 가속기의 이동파 개념과 유사한 플라즈마를 통해 전파되는 매우 높은 전하 분리의 파동을 도입할 가능성이다.그 결과 가속기는 파동의 입자 뭉치를 위상 잠금으로 잠근다. 그리고 이 적재된 공간 충전 파동은 뭉치 속성을 유지하면서 더 높은 속도로 가속한다.현재 플라즈마 웨이크는 적절한 모양의 레이저 펄스나 전자 번들에 의해 흥분된다.플라즈마 전자는 흥분되는 장(전자 또는 레이저)에서 나오는 중력이나 정전기장에 의해 경각의 중심에서 쫓겨나 멀어져 간다.플라즈마 이온은 너무 거대해서 크게 움직일 수 없으며 흥분된 장에 대한 플라즈마 전자 반응의 시간 간격에 정지해 있는 것으로 가정한다.흥미진진한 장들이 플라즈마를 통과할 때 플라즈마 전자는 원래 미기증된 플라즈마 안에 있었던 것처럼 그곳에 남아 있던 양의 플라즈마 이온실, 거품 또는 기둥에 의해 웨이크 중앙으로 되돌아오는 엄청난 매력적인 힘을 경험한다.이것은 극도로 높은 종방향(가속)과 가로방향(집중) 전기장의 완전한 경종을 형성한다.그러면 전하 분리 부위의 이온에서 양전하를 띠면 전자가 많은 웨이크 뒷면과 이온이 대부분인 웨이크 중간 사이에 거대한 구배를 일으킨다.이 두 영역 사이에 있는 모든 전자는 가속될 것이다(자기주사 메커니즘에서).외부 묶음 주사 방식에서 전자는 플라즈마 전자의 최대 편차 또는 배출 중에 대피한 영역에 도착하기 위해 전략적으로 주입된다.null

빔 구동 웨이크는 상대론적 양성자나 전자 뭉치를 적절한 플라즈마나 가스로 보내면 생성될 수 있다.^[19]어떤 경우에 가스는 전자 뭉치에 의해 이온화 될 수 있기 때문에 전자 뭉치는 플라즈마와 웨이크 두 가지를 모두 만들어 낸다.이것은 상대적으로 전하가 높고 따라서 강한 장을 가진 전자 뭉치를 필요로 한다.그리고 전자 뭉치의 높은 장은 플라즈마 전자를 중심에서 밀어내서 웨이크를 만든다.null

빔 구동 웨이크처럼 레이저 펄스를 이용해 플라즈마 웨이크를 자극할 수 있다.맥박이 플라즈마를 통해 이동하면서 빛의 전기장은 외부장과 같은 방식으로 전자와 핵들을 분리한다.null

만약 그 장이 충분히 강하면, 모든 이온화된 플라즈마 전자는 웨이크 중심에서 제거될 수 있다: 이것은 "블로아웃 시스템"이라고 알려져 있다.이 기간 동안 입자들이 매우 빠르게 움직이지는 않지만, 거시적으로 볼 때 빛의 속도에 가까운 속도로 플라즈마를 통해 "거품"이 이동하는 것으로 보인다.거품은 양전하를 띤 전자가 없는 영역이며, 그 다음에 전자가 다시 중심부로 떨어져 음전하를 띠는 영역이다.이는 레이저 펄스에 이어 매우 강한 전위 구배를 가진 작은 영역으로 이어진다.null

선형체에서는 혈장 전자가 웨이크 중심에서 완전히 제거되지 않는다.이 경우 선형 혈장파 방정식을 적용할 수 있다.그러나 그 깨침은 블로아웃 체제와 매우 유사하게 나타나며, 가속의 물리학은 같다.null

입자 가속을 위해 사용되는 것이 바로 이 "웨이크필드"이다.고밀도 영역 근처의 플라즈마에 주입된 입자는 그것으로부터 가속을 경험하게 될 것이며, 이 가속은 웨이크필드가 기둥을 통해 이동하면서 지속되는 가속을 경험하게 될 것이며, 결국 입자가 웨이크필드의 속도에 도달할 때까지 계속될 것이다.심지어 더 높은 에너지도 웨이크필드의 얼굴을 가로질러 이동하기 위해 입자를 주입함으로써 도달할 수 있는데, 마치 서퍼가 웨이크필드를 가로질러 이동함으로써 그들이 서핑하는 파도보다 훨씬 더 높은 속도로 이동할 수 있는 것과 같다.이 기술을 이용하기 위해 고안된 가속기는 구어체로 "수퍼트론"이라고 불려왔다.null

이온 레이저 고체 가속도

레이저 고체 대상 기반 이온 가속은 특히 대상 정상 피복 가속이 발견된 이후 활발한 연구 영역이 되었다.^[20]이 새로운 계획은 해드론 요법,^[21] 융복합 빠른 발화^[22] 및 기초 연구를 위한 원천에 대한 추가적인 개선을 제공한다.^[23]그럼에도 불구하고, 이 계획으로 지금까지 달성된 최대 에너지는 100 MeV 에너지 순이다.^[24]null

주요 레이저 고체 가속도는 일반적으로 언급되는 TNSA, Target Normal Sheat Acceleration이다.다른 레이저 기반 가속 기법과 같은 TNSA는 이온을 직접 가속할 수 없다.대신에 그것은 수학적으로 모델링하는 것과 관련된 어려움을 가진 각각의 여러 단계로 구성된 다단계 과정이다.이러한 이유로 지금까지 TNSA 메커니즘에 대한 정량적 예측을 산출할 수 있는 완벽한 이론 모델은 존재하지 않는다.^[23]세포 내 입자 시뮬레이션은 예측을 효율적으로 달성하기 위해 사용된다.null

이 계획은 레이저 전선과 먼저 상호작용하는 견고한 표적을 채용하는데, 이것은 표적을 이온화하여 플라즈마로 만들고 표적 전방의 전방을 팽창시킨다.대상의 앞쪽에 저밀도 플라즈마 영역을 생성하는데, 이른바 프리플라즈마라고 한다.주 레이저 펄스가 목표 전방에 도착하면 이 저밀도 영역을 통해 전파되며 프리플라즈마를 통해 다시 전파되는 대상의 전면 표면에서 반사된다.이 과정 내내 레이저가 저감각 부위의 전자를 가열하고 확률적 난방을 통해 가속시켰다.^[25]이 가열 과정은 믿을 수 없을 정도로 중요하며, 높은 온도 전자 모집단을 생성하는 것이 그 과정의 다음 단계의 핵심이다.전자 가열 과정에서 프리플라스마의 중요성은 프리플라스마가 얼마나 더 강한 전자 가열과 TNSA의 향상으로 이어지는지를 보여주는 이론적, 실험적으로 최근 연구되고 있다.^[26]뜨거운 전자는 고체 대상을 통해 전파되어 후단을 통해 빠져나간다.그렇게 함으로써 전자는 전하 분리를 통해 ^[23]TV/m의 순서로 믿을 수 없을 정도로 강한 전기장을 생성한다.칼집에서 나온 칼집 모양과 닮아 칼집장이라고도 불리는 이 전기장은 이온의 가속을 담당한다.대상의 뒷면에는 작은 오염층(보통 가벼운 탄화수소와 수증기)이 있다.이 오염물질들은 뜨거운 전자에 의해 생성된 강한 전기장에 의해 이온화되었다가 가속된다.에너지 이온빔으로 이어져 가속 과정을 완성한다.null

RF 가속도와 비교

플라스마 가속의 장점은 가속장이 기존 무선주파수(RF) 가속기보다 훨씬 강할 수 있다는 점이다.RF 가속기에서 필드는 가속 튜브의 유전체 파괴 임계값에 의해 결정되는 상한값을 가진다.이것은 높은 에너지에 도달하기 위해 매우 긴 가속기가 필요한 특정 영역에서의 가속도를 제한한다.이와는 대조적으로 플라즈마 내 최대 장은 기계적 품질과 난류로 정의되지만 일반적으로 RF 가속기보다 더 강한 크기의 몇 가지 순서다.10 GV/m의 가속장치로 긴 가속기를 실현할 수 있다면 플라즈마 가속기 기법을 기반으로 콤팩트한 입자 가속기를 만들거나 훨씬 높은 에너지를 위한 가속기를 만들 수 있기를 바란다.null

혈장 가속도는 전자 혈장파가 형성되는 방식에 따라 다음과 같이 몇 가지 유형으로 분류된다.

• 플라스마 웨이크필드 가속(PWFA):전자 플라스마 파장은 전자 또는 양성자 무리에 의해 형성된다.
• 레이저 웨이크필드 가속(LWFA): 레이저 펄스가 도입되어 전자 플라즈마파를 형성한다.
• 레이저 박동파 가속(LBWA):전자 플라스마 파장은 두 레이저 펄스의 다른 주파수 생성을 기반으로 발생한다."서파트론"은 이 기술의 발전이다.^[27]
• 자체 변조된 레이저 웨이크필드 가속(SMLWFA):전자 플라즈마 파형의 형성은 자극된 라만 전방 산란 불안정성에 의해 조절된 레이저 펄스에 의해 달성된다.

PWFA와 함께 수행된 웨이크필드 가속도의 첫 실험은 1988년 아르곤느 국립 연구소의 연구 그룹에 의해 보고되었다.^[28]null

공식

선형 플라즈마 파형의 가속 구배는 다음과 같다.

${\displaystyle E=c\cdot {\sqrt {\frac {m_{e}\cdot n_{e}}{\varepsilon_{0}}}}.}$

$이$ 방정식에서 E ${\displaystyle E}$은 전기장, c ${\displaystyle c}$은(는) 진공에서 빛의 속도,$$ e {\$displaystyle$ m_${e$}}은(는$)$ 전자의 질량$$, ${\displaystyle n_{}}$ e$${\$displaystysty$ n_${e}$은 플라즈마 전자 밀도$$(미터당 입자 단위), $\displaystyparpsilon$) $)이다.$자유 공간의 허용률이다.null

실험실험실

현재 플라즈마 기반 입자 가속기는 다음 기관에서 개념 증명 단계에 있다.

• 아르곤 국립 연구소
• INFN 로페토리 나치오날리 디 프라스카티^[29]
• LMU 뮌헨의 고급 레이저 애플리케이션 센터
• 헬름홀츠 연구소 제나
• 헬름홀츠젠트럼 드레스덴로센도르프
• 로렌스 버클리 국립 연구소
• SLAC 국립가속기 연구소
• UCLA
• 러더퍼드 애플턴 연구소
• 로렌스 리버모어 국립 연구소
• 미국 해군 연구소
• 버드커 핵물리연구소
• 미시간 대학교
• 분필 강 연구소
• 텍사스 페타와트 레이저, 텍사스 대학교 오스틴
• 스트라스클라이드 대학교에서 X선(ALPA-X) 빔 라인을 향한 고급 레이저 플라즈마 고에너지 가속기
• 스코틀랜드 플라즈마 기반 가속기 응용 센터(SCAPA)
• 룬드 대학교
• 노무자 디옵티크 어플퀘이
• CERN
• DESY / 함부르크^[30][31] 대학교

참고 항목

• 유전벽가속기
• 플라스마 물리학 논문 목록

참조

• Joshi, C. (2006). "Plasma Accelerators". Scientific American. 294 (2): 40–47. Bibcode:2006SciAm.294b..40J. doi:10.1038/scientificamerican0206-40. PMID 16478025.
• Katsouleas, T (2004). "Accelerator physics: Electrons hang ten on laser wake". Nature. 431 (7008): 515–516. Bibcode:2004Natur.431..515K. doi:10.1038/431515a. PMID 15457239. S2CID 11111762.
• Joshi, C.; Katsouleas, T. (2003). "Plasma accelerators at the energy frontier and on tabletops". Physics Today. 56 (6): 47–51. Bibcode:2003PhT....56f..47J. doi:10.1063/1.1595054.
• Joshi, C. & Malka, V. (2010). "Focus on Laser- and Beam-Driven Plasma Accelerators". New Journal of Physics. 12 (4): 045003. doi:10.1088/1367-2630/12/4/045003.

외부 링크

• Plasma Wakefield Acceleration - 가이드
• 미래의 플라즈마 파동 타기