ויקיפדיה

האצת פלסמה – הבדלי גרסאות

עיון אינטראקטיבי בהיסטוריה
→ העריכה הקודמתהעריכה הבאה ←
תוכן שנמחק תוכן שנוסף
חזותיקוד ויקי
ניסוח
Matanyabot (שיחה | תרומות)
475,756 עריכות
מ בוט החלפות: \1-\2, אזור, ממדי, \1על ידי, ,, דוגמה\1, נייטרלי
שורה 1:
'''האצת פלסמה''' (באנגלית: Plasma acceleration) היא טכניקה להאצת חלקיקים טעונים, לרבות [[אלקטרון|אלקטרונים]], [[פוזיטרון|פוזיטרונים]] ו[[יון|יונים]], באמצעות ה[[שדה חשמלי|שדה החשמלי]] המיוחס לגל של פלסמת אלקטרונים ולמבני [[פלזמה (מצב צבירה)|פלסמה]] אחרים בעלי [[גרדיאנט]] גבוה. מבני האצת פלסמה נוצרים באמצעות פולסים מאוד קצרים של [[לייזר]] או אלומות חלקיקים אנרגטיות המותאמות למאפייני הפלסמה.
 
הטכניקות הללו מציעות דרך לבנות [[מאיץ חלקיקים|מאיצי חלקיקים]] עם ביצועים גבוהים שמימדיהםשממדיהם הרבה יותר קטנים בהשוואה למאיצים הנוכחיים.
 
האצת פלסמה מסווגת למספר סוגים לפי הדרך שבה נוצר הגל של אלקטרוני פלסמה:
 
* האצה של גל מהיר מאוד ([https://www.yourdictionary.com/wakefield wakefield]) של פלזמה (PWFA): גל אלקטרונים-פלזמה נוצר ע"יעל ידי מקבץ אלקטרונים או מקבץ פרוטונים.
* האצה של גל לייזר מהיר  מאוד (LWFA): פעימת לייזר נשלחת כדי ליצור גל אלקטרוני פלזמה.
* האצה של גל לייזר (LBWA)''':''' גל אלקטרוני פלזמה מתפרץ על בסיס יצירת תדירויות שונות של שתי פעימות לייזר. המאיץ "[[wiktionary:surfatron|Surfatron]]" מציג שיפור של הטכניקה.
* האצת גל לייזר מהיר מאוד ומאופנן עצמית  (SMLWFA): ההיווצרות של גל אלקטרוני פלזמה מושגת ע"יעל ידי פעימת לייזר שמאופננת ע"יעל ידי חוסר יציבות ב[[פיזור רמאן]].
 
ההוכחה המדעית הראשונה להאצה באמצעות גל מאוד מהיר, אשר בוצעה עם הטכניקה PWFA (האצת גל מהיר מאוד של פלסמה), דווחה לראשונה ע"יעל ידי קבוצת החקר במעבדה הלאומית של ארגון ב-1988.
 
== ההיסטוריה של האצת פלסמה ==
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 ה-"wakefield" נהגו ב-[[אוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס|UCLA]] ע"יעל ידי [[:en:Chandrashekhar_J._Joshi|פרופ. צ'אן ג'ושי]] ואחרים. מכשירים ניסיוניים נוכחיים מראים שיפועי האצה טובים יותר בכמה סדרי גודל,על פני מרחקים מאוד קצרים, בהשוואה למאיצי החלקיקים הנוכחיים (בערך סדר גודל אחד טוב יותר בקנה מידה של מטר אחד: 1GeV\m עבור מכשירים הניסיוניים לעומת 0.1GeV\m עבור מאיץ RF).
 
ייצור מאיצי פלזמה קומפקטיים ובעלות נמוכה יאפשרו להשתמש בהם במגוון יישומים, החל מ[[פיזיקת חלקיקים]] וכלה ביישומים רפואיים ותעשייתיים. היישומים הרפואיים כוללים את [[בטאטרון]], אבחוני מחלות או [[רדיותרפיה|הקרנות]], כמו גם מקורות [[פרוטון|פרוטונים]] עבור [[תרפיית חלקיקים]].
 
== מאיצי פלסמה כיום ==
מאיצי פלסמה בדרך כלל משתמשים בגלים מאוד מהירים (wakefields) שמופקים ע"יעל ידי גלי פלסמה צפופים. אולם, מאיצי פלסמה יכולים לתפקד במספר רב של דרכים בהתאם למאפייני הפלסמה בה משתמשים.
 
לדוגמאלדוגמה, מאיץ לייזר-פלזמה ניסיוני ב[[המעבדה הלאומית לורנס ברקלי|מעבדה הלאומית של לורנס ברקלי]] מאיץ אלקטרונים לאנרגיה של 1G[[אלקטרון וולט|eV]] לאורך 3.3 ס"מ בקירוב (5.4x1020 gn), בעוד שהמאיץ הקונבנציונלי  (מאיץ האלקטרונים באנרגיה הכי גבוהה) במעבדת SLAC מצריך האצה לאורך של 64 מטרים כדי להגיע לאותה אנרגיה.
 
באופן דומה, בשימוש בפלזמות הושגה תוספת אנרגיה של 40GeV בעזרת האלומה של המאיץ הקווי בסטנפורד  (42GeV) שנמצא ב SLAC תוך מרחק של 85 ס"מ בעזרת מאיץ  גלי הפלסמה המהירים (8.9x1020 g<sub>n</sub>). ברגע שהמאיץ יהיה מפותח מספיק יהיה ניתן להחליף הרבה ממאיצי ה-RF המסורתיים שכרגע נמצאים במאיצי חלקיקים, בתי חולים ומתקני מחקר.
 
מתקן הלייזר ב[[אוניברסיטת טקסס באוסטין]] האיץ אלקטרונים לאנרגיה של 2GeV לאורך 2 ס"מ (1.6x1021 [[:en:G-force|g<sub>n</sub>]]). השיא הזה נשבר(ביותר מפי שניים) ב2014ב-2014 ע"יעל ידי מדענים ב[[:en:BELLA_(laser)|מאיץ לייזר-פלסמה BELLA]], במעבדה הלאומית בלורנס ברקלי, כשהם הפיקו  אלומות אלקטרונים עד לאנרגיה של 4.25GeV.
 
בסוף 2014, חוקרים ממעבדת המאיצים הלאומית [[:en:SLAC_National_Accelerator_Laboratory|SLAC]], פרסמו הוכחה לישימות של טכנולוגיית האצת הפלסמה בעזרת המתקן לבדיקות מאיץ ניסיוניות מתקדמות (FACET). ההוכחה הראתה שמאיץ פלסמה יכול להשיג מעבר אנרגיה גדול פי 400-500 בהשוואה למבנה הכללי של מאיץ קווי.
שורה 31:
 
== הפיזיקה של האצת פלסמה ==
פלסמה מורכבת מנוזל בעל מטענים חיוביים ושליליים, בדרך כלל נוצר ע"יעל ידי חום או [[:en:Photoionization|פוטויוניזציה]] של גז מדולל.
 
תחת תנאים רגילים הפלסמה תהיה ניטרליתנייטרלית(או ניטרליתנייטרלית למחצה) ברמה המאקרוסקופית, כמות שווה של אלקטרונים ויונים אשר נמצאים בשיווי משקל. אבל אם ישנה נוכחות של [[שדה מגנטי|שדה כוח מגנטי]] או [[שדה אלקטרומגנטי]] חזק מספיק , אלקטרוני הפלסמה אשר מאוד קלים יחסית ליוני הרקע (לפחות פי 1836), ייפרדו מרחבית מהיונים הכבדים ויצרו חוסר שיווי משקל במטענים באזור המתואר. מטען אשר מוכנס לפלסמה כזאת יואץ ע"יעל ידי השדה שנוצר כתוצאה מההפרדה במטענים , אבל כיוון שגודל שדה זה בדרך כלל דומה לזה של השדה החיצוני, למעשה שום דבר לא מושג יחסית למערכת שגרתית אשר מספקת בפשטות את השדה החשמלי או המגנטי ישירות לחלקיק. עם זאת, חומר הפלסמה מתפקד כשנאי היעיל ביותר (שידוע עד כה) של השדה הרוחבי של גל אלקטרומגנטי לשדות אורכיים של גל הפלסמה.
 
בטכנולוגיית המאיצים הקיימת, נעשה שימוש במגוון חומרים המעוצבים בצורה הולמת בכדי להמיר  שדות רוחביים מאוד עוצמתיים שמופצים לשדות אורכיים, מהם החלקיקים יוכלו לקבל "בעיטה". התהליך מושג באמצעות שתי גישות: מבני גלים עומדים (כמו חללי תהודה) או מבני גל נודד כגון מדריכי גלים טעוני דיסק (disc loaded waveguides) וכו'. אבל ההגבלה של חומרים הבאים באינטראקציה עם שדות חזקים יותר ויותר היא שבסופו של דבר הם מושמדים עקב ינון והתפרקות. כאן, מדע האצת הפלסמה מספק את פריצת הדרך לייצר, לקיים לאורך זמן ולנצל את השדות החזקים ביותר שאי פעם הופקו על ידי המדע במעבדה.
 
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.
 
שדה מונחה-קרן יכול להיווצר ע"יעל ידי שליחה של פרוטון רלטיביסטי או מקבץ אלקטרונים אל גז או פלסמה מתאימים. בחלק מהמקרים, הגז יכול להיות מיונן ע"יעל ידי מקבץ האלקטרונים, כך שמקבץ האלקטרונים יוצרים גם את הפלסמה וגם את השדה. הדבר מצריך מקבץ אלקטרונים בעל מטען גדול יחסית, כלומר, שדות חזקים. לאחר מכן השדות החזקים של מקבץ האלקטרונים "דוחפים" את אלקטרוני הפלסמה מחוץ למרכז , ובכך יוצרים את השדה.
 
בדומה לשדה מונחה-קרן, יכול להיעשות שימוש בפעימת לייזר כדי ליצור את שדה הפלסמה. כאשר הפעימה נעה דרך הפלסמה , השדה החשמלי של האור מפריד את האלקטרונים והגרעינים באותה הדרך בה שדה חיצוני היה פועל.
 
אם השדות חזקים מספיק, כל יוני הפלסמה המיוננת יכולים להתרחק ממרכז השדה: זה נקרא גם "שיטת ההתפרצות" ( "blowout regime"). למרות שהחלקיקים אינם נעים מאוד מהר בפרק הזמן הנתון, ברמה המאקרוסקופית נראה כי ישנה "בועה" של מטען אשר נעה דרך הפלסמה במהירות הקרובה למהירות האור. הבועה הזאת מהווה אזור נקי מאלקטרונים כך שמטענה חיובי, ואחריה יש איזוראזור בו האלקטרונים חוזרים למרכז כך שמטען האיזורהאזור שלילי. זה מותיר אזור קטן בו הפרש פוטנציאלים חזק שעוקב אחרי פעימת הלייזר.
[[קובץ:Illustration Plasma Wakefield Acceleration.png|ממוזער|297x297 פיקסלים|נתיב האצה הנוצר על ידי אלומת אלקטרונים בפלסמה]]
בשיטה הליניארית, האלקטרונים בפלסמה אינם מוסרים לחלוטין ממרכז השדה החשמלי העוצמתי. במקרה זה, יכולה להיות מיושמת משוואת גל פלסמה ליניארי. עם זאת, נראה כי השדה החשמלי העוצמתי דומה מאוד ל"שיטת ההתפרצות", והפיזיקה של ההאצה זהה.
אוחזר מתוך "https://he.wikipedia.org/wiki/האצת_פלסמה"