La aceleración de plasma es una técnica para acelerar partículas cargadas , como electrones o iones , utilizando el campo eléctrico asociado con la onda de plasma de electrones u otras estructuras de plasma de alto gradiente . Estas estructuras de aceleración de plasma se crean utilizando pulsos láser ultracortos o haces de partículas energéticas que se adaptan a los parámetros del plasma . La técnica ofrece una forma de construir aceleradores de partículas asequibles y compactos .
Una vez que esté completamente desarrollada, la tecnología puede reemplazar a muchos de los aceleradores tradicionales con aplicaciones que abarcan desde la física de alta energía hasta aplicaciones médicas e industriales. Las aplicaciones médicas incluyen fuentes de luz de betatrones y electrones libres para diagnósticos o radioterapia y fuentes de protones para terapia de hadrones .
Los conceptos básicos de la aceleración del plasma y sus posibilidades fueron concebidos originalmente por Toshiki Tajima y John M. Dawson de la UCLA en 1979. [1] Los diseños experimentales iniciales para un acelerador de "campo de despertar" fueron concebidos en la UCLA por Chandrashekhar J. Joshi et al. [2]
El láser Texas Petawatt de la Universidad de Texas en Austin aceleró electrones a 2 GeV en aproximadamente 2 cm (1,6×10 21 g n ). [3] Este récord fue superado (por más del doble) en 2014 por los científicos del Centro BELLA en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley , cuando produjeron haces de electrones de hasta 4,25 GeV. [4]
A finales de 2014, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC que utilizan la Instalación para Pruebas Experimentales Avanzadas de Aceleradores (FACET) publicaron pruebas de la viabilidad de la tecnología de aceleración de plasma. Se demostró que puede lograr una transferencia de energía de 400 a 500 veces mayor en comparación con un diseño de acelerador lineal general. [5] [6]
Actualmente, en el CERN se está llevando a cabo un experimento de prueba de concepto de un acelerador de plasma Wakefield que utiliza un haz de protones de 400 GeV del Super Sincrotrón de Protones . [7] El experimento, llamado AWAKE , comenzó a realizar experimentos a finales de 2016. [8]
En agosto de 2020, los científicos informaron sobre el logro de un hito en el desarrollo de aceleradores de plasma láser y demostraron su funcionamiento estable más prolongado de 30 horas. [9] [10] [11] [12] [13]
Un plasma consiste en un fluido de partículas cargadas positiva y negativamente, generalmente creado por calentamiento o fotoionización (directa / efecto túnel / multifotón / supresión de barrera) de un gas diluido. En condiciones normales, el plasma será macroscópicamente neutro (o casi neutro), una mezcla igual de electrones e iones en equilibrio. Sin embargo, si se aplica un campo eléctrico o electromagnético externo lo suficientemente fuerte, los electrones del plasma, que son muy ligeros en comparación con los iones de fondo (por un factor de 1836), se separarán espacialmente de los iones masivos creando un desequilibrio de carga en la región perturbada. Una partícula inyectada en un plasma de este tipo sería acelerada por el campo de separación de carga, pero como la magnitud de esta separación es generalmente similar a la del campo externo, aparentemente no se gana nada en comparación con un sistema convencional que simplemente aplica el campo directamente a la partícula. Pero, el medio de plasma actúa como el transformador más eficiente (actualmente conocido) del campo transversal de una onda electromagnética en campos longitudinales de una onda de plasma. En la tecnología de aceleradores existente se utilizan diversos materiales diseñados apropiadamente para convertir campos transversales de propagación extremadamente intensa en campos longitudinales de los que las partículas pueden beneficiarse. Este proceso se logra utilizando dos enfoques: estructuras de ondas estacionarias (como cavidades resonantes) o estructuras de ondas progresivas como guías de ondas cargadas con discos, etc. Pero la limitación de los materiales que interactúan con campos cada vez más altos es que finalmente se destruyen por ionización y descomposición. En este sentido, la ciencia del acelerador de plasma proporciona el avance para generar, mantener y explotar los campos más altos jamás producidos en el laboratorio.
El gradiente de aceleración producido por una estela de plasma es del orden del campo de ruptura de la onda, que es
En esta ecuación, es el campo eléctrico , es la velocidad de la luz en el vacío, es la masa del electrón , es la densidad electrónica del plasma (en partículas por unidad de volumen), y es la permitividad del espacio libre .
Lo que hace que el sistema sea útil es la posibilidad de introducir ondas de separación de carga muy alta que se propagan a través del plasma de manera similar al concepto de onda viajera en el acelerador convencional. De este modo, el acelerador bloquea la fase de un haz de partículas en una onda y esta onda de carga espacial cargada las acelera a velocidades más altas mientras conserva las propiedades del haz. Actualmente, las estelas de plasma se excitan mediante pulsos láser o haces de electrones con una forma adecuada. Los electrones del plasma son expulsados y alejados del centro de la estela por la fuerza ponderomotriz o los campos electrostáticos de los campos de excitación (electrones o láser). Los iones del plasma son demasiado masivos para moverse significativamente y se supone que son estacionarios en las escalas de tiempo de la respuesta de los electrones del plasma a los campos de excitación. A medida que los campos de excitación pasan a través del plasma, los electrones del plasma experimentan una fuerza de atracción masiva de regreso al centro de la estela por la cámara, burbuja o columna de iones de plasma positivos que han permanecido posicionados allí, como estaban originalmente en el plasma no excitado. Esto forma una estela completa de un campo eléctrico longitudinal (acelerador) y transversal (focalizador) extremadamente alto. La carga positiva de los iones en la región de separación de carga crea un gran gradiente entre la parte posterior de la estela, donde hay muchos electrones, y la parte media de la estela, donde hay principalmente iones. Cualquier electrón que se encuentre entre estas dos áreas será acelerado (en el mecanismo de autoinyección). En los esquemas de inyección de haz externo, los electrones se inyectan estratégicamente para llegar a la región evacuada durante la excursión máxima o expulsión de los electrones del plasma.
Se puede crear una estela impulsada por un haz enviando un haz de protones o electrones relativistas a un plasma o gas apropiado. [14] En algunos casos, el gas puede ser ionizado por el haz de electrones, de modo que el haz de electrones crea tanto el plasma como la estela. Esto requiere un haz de electrones con una carga relativamente alta y, por lo tanto, campos fuertes. Los campos altos del haz de electrones luego empujan los electrones del plasma hacia afuera del centro, creando la estela.
De manera similar a una estela impulsada por un haz, se puede utilizar un pulso láser para excitar la estela de plasma. A medida que el pulso viaja a través del plasma, el campo eléctrico de la luz separa los electrones y los nucleones de la misma manera que lo haría un campo externo.
Si los campos son lo suficientemente fuertes, todos los electrones del plasma ionizado pueden ser retirados del centro de la estela: esto se conoce como el "régimen de explosión". Aunque las partículas no se mueven muy rápidamente durante este período, macroscópicamente parece que una "burbuja" de carga se mueve a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz. La burbuja es la región despejada de electrones que, por lo tanto, está cargada positivamente, seguida por la región donde los electrones caen de nuevo al centro y, por lo tanto, está cargada negativamente. Esto conduce a una pequeña área de gradiente de potencial muy fuerte después del pulso láser.
En el régimen lineal, los electrones del plasma no se eliminan por completo del centro de la estela. En este caso, se puede aplicar la ecuación de onda del plasma lineal. Sin embargo, la estela parece muy similar al régimen de explosión y la física de la aceleración es la misma.
Este "campo de estela" es el que se utiliza para la aceleración de partículas. Una partícula inyectada en el plasma cerca del área de alta densidad experimentará una aceleración hacia (o desde) ella, una aceleración que continúa a medida que el campo de estela se desplaza a través de la columna, hasta que la partícula finalmente alcanza la velocidad del campo de estela. Se pueden alcanzar energías aún más altas inyectando la partícula para que se desplace a través de la superficie del campo de estela, de forma similar a como un surfista puede viajar a velocidades mucho mayores que la ola en la que surfea al atravesarla. Los aceleradores diseñados para aprovechar esta técnica se han denominado coloquialmente "surfatrones".
La aceleración de Wakefield se puede clasificar en varios tipos según cómo se forma la onda de plasma electrónico:
Algunos experimentos son: [16]
La aceleración de iones basada en láser-objetivo sólido se ha convertido en un área activa de investigación, especialmente desde el descubrimiento de la aceleración de la vaina normal del objetivo (TNSA). [17] Este nuevo esquema ofrece mejoras adicionales en la hadronterapia , [18] la ignición rápida de la fusión [19] y fuentes para la investigación fundamental. [20] No obstante, las energías máximas alcanzadas hasta ahora con este esquema están en el orden de 100 MeV. [21]
El principal esquema de aceleración láser-sólido es la aceleración de la vaina normal del objetivo, TNSA como se lo conoce habitualmente. TNSA, al igual que otras técnicas de aceleración basadas en láser, no es capaz de acelerar directamente los iones. En cambio, es un proceso de varios pasos que consta de varias etapas, cada una con su dificultad asociada para modelar matemáticamente. Por esta razón, hasta ahora no existe un modelo teórico perfecto capaz de producir predicciones cuantitativas para el mecanismo TNSA. [20] Las simulaciones de partículas en celdas se emplean habitualmente para lograr predicciones de manera eficiente.
El esquema emplea un objetivo sólido que interactúa primero con el prepulso láser, esto ioniza el objetivo convirtiéndolo en un plasma y provocando una preexpansión del frente del objetivo. Lo que produce una región de plasma subdensa en la parte delantera del objetivo, el llamado preplasma. Una vez que el pulso láser principal llega al frente del objetivo, se propagará a través de esta región subdensa y se reflejará desde la superficie delantera del objetivo propagándose de nuevo a través del preplasma. A lo largo de este proceso, el láser ha calentado los electrones en la región subdensa y los ha acelerado mediante un calentamiento estocástico. [22] Este proceso de calentamiento es increíblemente importante, producir una población de electrones a alta temperatura es clave para los siguientes pasos del proceso. La importancia del preplasma en el proceso de calentamiento de electrones se ha estudiado recientemente tanto teórica como experimentalmente, mostrando cómo los preplasmas más largos conducen a un calentamiento de electrones más fuerte y una mejora en TNSA. [23] Los electrones calientes se propagan a través del objetivo sólido y salen de él por el extremo trasero. Al hacerlo, los electrones producen un campo eléctrico increíblemente fuerte, del orden de TV/m, [20] a través de la separación de cargas. Este campo eléctrico, también conocido como campo de envoltura debido a su semejanza con la forma de una envoltura de una espada, es responsable de la aceleración de los iones. En la cara posterior del objetivo hay una pequeña capa de contaminantes (generalmente hidrocarburos ligeros y vapor de agua). Estos contaminantes son ionizados por el fuerte campo eléctrico generado por los electrones calientes y luego acelerados. Lo que conduce a un haz de iones energéticos y completa el proceso de aceleración.
El responsable del frente iónico rápido y puntiagudo del plasma en expansión es un proceso de ruptura de ondas iónicas que tiene lugar en la fase inicial de la evolución y está descrito por la ecuación de Sack-Schamel . [24]
La ventaja de la aceleración de plasma es que su campo de aceleración puede ser mucho más fuerte que el de los aceleradores de radiofrecuencia (RF) convencionales . En los aceleradores de RF, el campo tiene un límite superior determinado por el umbral de ruptura dieléctrica del tubo de aceleración. Esto limita la cantidad de aceleración en cualquier longitud dada, lo que requiere aceleradores muy largos para alcanzar altas energías. En contraste, el campo máximo en un plasma está definido por las cualidades mecánicas y la turbulencia, pero generalmente es varios órdenes de magnitud más fuerte que con los aceleradores de RF. Se espera que se pueda crear un acelerador de partículas compacto basado en técnicas de aceleración de plasma o se puedan construir aceleradores para energías mucho más altas, si se pueden realizar aceleradores largos con un campo de aceleración de 10 GV/m.
Los dispositivos experimentales actuales muestran gradientes de aceleración varios órdenes de magnitud mejores que los aceleradores de partículas actuales en distancias muy cortas, y aproximadamente un orden de magnitud mejores (1 GeV /m [25] frente a 0,1 GeV/m para un acelerador de RF [26] ) en la escala de un metro.
Por ejemplo, un acelerador de plasma láser experimental en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley acelera electrones a 1 GeV en aproximadamente 3,3 cm (5,4×10 20 g n ), [27] y un acelerador convencional (acelerador de electrones de mayor energía) en SLAC requiere 64 m para alcanzar la misma energía. De manera similar, utilizando plasmas se logró una ganancia de energía de más de 40 GeV utilizando el haz SLC SLAC (42 GeV) en solo 85 cm utilizando un acelerador de plasma Wakefield (8,9×10 20 g n ). [28]
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