האצת פלסמה – הבדלי גרסאות

ההוכחה המדעית הראשונה להאצה באמצעות גל מאוד מהיר, אשר בוצעה עם הטכניקה PWFA (האצת גל מהיר מאוד של פלסמה), דווחה לראשונה ע"י קבוצת החקר במעבדה הלאומית של ארגון ב-1988.

 

 

מי שהגו את המושגים הבסיסיים של האצת פלסמה והאפשרויות שלה היו טושיקי טאג'ימה ו[[:en:John_M._Dawson|פרופסור ג'ון מ. דוסן]] מ-UCLA בשנת 1979. העיצובים הניסיוניים ההתחלתיים של מאיץ

 

מאיצי פלסמה מאוד מבטיחים כשמדובר בייצור מאיצים קומפקטיים ובעלות נמוכה יותר עבור מגוון יישומים, החל מ[[פיזיקת חלקיקים]] וכלה ביישומים רפואיים ותעשייתיים. היישומים הרפואיים כוללים את [[בטאטרון]] ולייזר אלקטרונים חופשיים למקורות אור לצורך אבחוני מחלות או [[רדיותרפיה|הקרנות]], כמו גם מקורות [[פרוטון|פרוטונים]] עבור [[תרפיית חלקיקים]].

 

מאיצי פלסמה בדרך כלל משתמשים בגלים מאוד מהירים (wakefields) שמופקים ע"י גלי פלסמה צפופים. אולם, מאיצי פלסמה יכולים לתפקד במספר רב של דרכים כתלות במאפייני הפלסמה בה משתמשים.

 

ניסוי להוכחה של עקרון מאיץ גלי פלסמה מהירים בשימוש באלומת פרוטונים בעלת אנרגיה של 400GeV מ-[[סופר פרוטון סינכרוטרון]] פועל כרגע  ב-[[CERN]]. הניסוי, שנקרא [[:en:AWAKE|AWAKE]], התחיל בניסויים בסוף 2016.

 

 

מה שהופך את המערכת לשימושית היא האפשרות לייצר לראשונה גלים, בהם הפרדת המטען מאוד טובה, המתפשטים דרך הפלסמה בדומה לתפיסת הגל הנודד במאיץ הקונבנציונלי. המאיץ מסנכרן חבורת חלקיקים עם אחד הגלים הללו והגל המרחבי הטעון הזה מאיץ אותם למהירויות גבוהות יותר תוך שמירה על המאפיינים החבורה. נכון לעכשיו, שדות חשמליים חזקים (המכונים "wakes") נוצרים על ידי פולסי לייזר בעלי צורה מתאימה או חבורות אלקטרונים. אלקטרוני הפלסמה מונעים החוצה מן המרכז של השדה העוצמתי על ידי הכוח הפונדרמוטיבי ([[:en:Ponderomotive_force|ponderomotive force]]) או על ידי השדות האלקטרוסטטיים מהגורמים שיוצרים את השדה העוצמתי (חבורות אלקטרונים או פולסי לייזר). היונים שבפלסמה יותר מידיי מסיביים מכדי לזוז באופן משמעותי, לכן מניחים שהם נייחים בזמן בו האלקטרונים בפלסמה מגיבים לשדות שנוצרים על ידי הגורמים שהוזכרו. כאשר השדות (אלה שגרמו להיווצרות השדה החשמלי החזק) עוברים דרך פלסמה, אלקטרוני הפלסמה חווים כוח משיכה חזק בחזרה למרכז השדה החשמלי, כשעל אותה משיכה אחראים היונים החיוביים בפלסמה שנותרו ממוקמים שם (בצורת תא, בועה או עמודה של יונים) , כפי שהיו במקור בפלסמה לפני שהושפעה על ידי הלייזר או האלקטרונים. זה יוצר שדה חשמלי אורכי (תכונה המאפשרת את האצת האלקטרונים) ורוחבי (שמאפשר את המיקוד של חבורת האלקטרונים) חזק ביותר. המטען החיובי של היונים באזור הפרדת המטען יוצר גרדיאנט ענק בין החלק האחורי של השדה החשמלי, שבו יש אלקטרונים רבים, ולבין אמצע השדה, שם נמצאים בעיקר יונים. האלקטרונים המצויים בין שני האזורים הללו יואצו (ב"מנגנון הזרקה עצמית"-"self-injection mechanism"). בשיטת ההזרקה החיצונית של האלקטרונים, הם מוכנסים אסטרטגית כדי להגיע לאזור המפונה תוך הסטה או הרחקה מקסימלית של אלקטרוני הפלסמה.

זה מקבץ השדות החשמליים העוצמתיים ("Wakefield") המשמש להאצת החלקיקים. חלקיק המוזרק לתוך הפלסמה ליד אזור הצפיפות הגבוהה יחווה האצה לעברו או הרחק ממנו, האצה המתמשכת ככל שמקבץ השדות נע דרך החתך, עד החלקיק בסופו של דבר מגיע למהירות של המקבץ. ניתן להגיע לאנרגיות גבוהות אף יותר על ידי הזרקת החלקיק לנוע לרוחב מקבץ השדות החשמליים החזקים, באופן הדומה מאוד לגולש שיכול לנסוע במהירות הרבה יותר גבוהה מאשר מהירות הגל עליו גולש על ידי תנועה לרוחבו. מאיצים שנועדו לנצל את הטכניקה הזו כונו בלשון המדוברת "גלישטרונים" ("[[wiktionary:surfatron|surfatrons]]").

 

היתרון של האצת פלסמה הוא ששדה ההאצה שלה יכול להיות הרבה יותר חזק מזה של מאיצי החלקיקים השגרתיים, בתדר רדיו (מאיצים בהם נעשה שימוש בשדה חשמל בתדירות רדיו: RF-Radio Frequency). ב[https://home.cern/science/engineering/accelerating-radiofrequency-cavities מאיצי RF], לשדה החשמלי הנוצר יש תחום גבול עליון שנקבע על ידי סף [[פריצה חשמלית|הפריצה החשמלית]] של צינור ההאצה. זה מגביל את כמות ההאצה על פני כל אזור נתון, עובדה הדורשת מאיצים ארוכים מאוד על מנת להגיע לאנרגיות גבוהות. לעומת זאת, השדה המקסימלי בפלסמה מוגדר על ידי תכונות מכניות וערבול (בהקשר לתנועת האלקטרונים), אך הוא בדרך כלל חזק יותר בכמה סדרי גודל מאשר השדה הנוצר על ידי מאיצי RF. ישנה תקווה שיהיה ניתן ליצור מאיץ חלקיקים קומפקטי על בסיס טכניקות האצת פלסמה או שיוכלו להיבנות מאיצים שיביאו את החלקיקים המואצים לאנרגיות הרבה יותר גבוהות, לאור העובדה שניתן לבנות מאיצים ארוכים עם שדה מאיץ בגודל של 10GV/m.