1. Ускорение частиц в плазме Лотов Константин Владимирович ИЯФ им Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск

2. Зачем нужно ускорять частицы? В повседневной жизниДля физики высоких энергий Для генерации излучения Для лечения людей

3. «Традиционные» ускорители дали нам Знания...

4. ... но с каждым шагом размер установок возрастал...

9. ... и дошел до предела. Радиус поворота: B = 8 T, энергия 7 ТэВ, радиус 3 км (4.3 км у БАК) Синхротронное излучение: Электроны с энергией >100 ГэВ трудно повернуть Темп ускорения: 500 ГэВ / 31.5 МэВ/м = 16 км (половина) Стоимость: 6 Г$ за БАК

10. Темп ускорения – один из «пределов» Stanford Linear Collider, 20 МэВ/м (1990) International Linear Collider, 31.5 МэВ/м (2020) Проблема – электрический пробой. Поле достаточно сильно, чтобы вырывать электроны из металла Плазма: вещество уже разрушено, сильного поля не боится Если в слое воздуха толщиной 1 мм убрать по одному электрону из атома, то будет поле 5 10 14 В/м = 500 ТВ/м Но как это сделать?

11. Плазменная волна Поддерживать статическое поле такой напряженности невозможно => колебания, ленгмюровская (плазменная) волна. Частота волны Чтобы ускорять частицы до большой энергии, волна должна бежать со скоростью света: Значит, длина волны должна быть строго определенной: Как? Пусть волну создаст компактный объект, летящий (почти) со скоростью света:

12. Кильватерное ускорение Драйвер: короткий и плотный сгусток заряженных частиц или мощный лазерный импульс. Он летит сквозь плазму и толкает ее частицы своим электрическим полем или пондеромоторной силой. Тяжелые ионы плазмы остаются неподвижными, электроны начинают колебаться около положений равновесия => разделение зарядов и электрическое поле Вся картина летит со скоростью драйвера (c) => продолжительное ускорение частиц, помещенных в нужную фазу волны

13. Кильватерное ускорение Характерные масштабы: Если плотность плазмы 10 19 см -3, то поле 300 ГВ/м, но размер 2 мкм ! Кстати, энергозапас плазменной волны порядка энергии покоя электронов в том же объеме проблема

14. Возбуждение волны Для возбуждения волны драйвер должен иметь хотя бы один резкий фронт

15. Нужен качественный пучок-драйвер (короткий, плотный, хорошо сфокусированный и продольно сжатый), т.е. нужен хороший обычный ускоритель. Эксперименты привязаны к ускорительным лабораториям. Цель – предельные энергии (ТэВ). Два типа драйверов Заряженные сгустки (электроны, протоны) = трансформатор энергии Лазерный импульс = генератор пучков частиц Нужен короткий и мощный лазерный импульс. Эксперименты «университетского» масштаба. Цель – настольный ускоритель умеренной энергии (1-10 ГэВ).

16. Эксперименты с заряженными драйверами

19. Эксперименты в Стенфорде (1997-2007) Исследованы все доступные режимы Продемонстрировано согласие с теорией +42 ГэВ в 85 см плазме

20. Эксперименты с заряженными драйверами

22. x

24. K.Lotov, Budker INP, presented at JAAWS, Pohang, 29.11.2010 KEK UCLA LANL SLAC BNL ANL KIPT BINP CERN Yerevan K.Lotov, Budker INP, presented at JAAWS, Pohang, 29.11.2010 PWFA world LNF DESY

25. Эксперименты с лазерными драйверами

26. Движущая сила – развитие мощных лазеров

27. Как выглядит эксперимент 1 ГэВ электроны в 3.3 см плазмы (2006): 30 пКл, 2.5% энергоразброс, 1.6 мрад

28. Новый «Livingston plot»

29. Как выглядит эксперимент 1 ГэВ электроны в 3.3 см плазмы (2006): 30 пКл, 2.5% энергоразброс, 1.6 мрад

30. Генерация излучения По причине своих малых размеров, электронный сгусток из лазерного кильватерного ускорителя имеет малый эмиттанс и, при условии малого энергетического разброса, способен генерировать короткую и яркую вспышку УФ или рентгеновского излучения. Нужно всего-то уменьшить энергоразброс с 2% до 0.1%

31. Основная проблема – быстрый рост Prof. Dr. Wolfgang Sandner, президент Германского физического общества: Ralph Assmann, CERN (a scientific coordinator, PDPWA collaboration): 2011

32. Спасибо за внимание

33. Разрушение длинного электронного сгустка в плазме

34. Оптимальное ускорение: два электронных сгустка

35. Более реалистичные электронные сгустки

36. Захват внешних электронов в кильватерную волну (сторонняя инжекция)