VAKEN
AWAKE ( Advanced WAKEfield Experiment )-anläggningen vid CERN är ett proof-of-principe-experiment, som undersöker wakefield- plasmaacceleration med ett protongäng som drivkraft, en världsomspännande förstagång. Det syftar till att accelerera ett lågenergi-vittnesgäng elektroner från 15 till 20 M eV till flera GeV över en kort sträcka (10 m) genom att skapa en hög accelerationsgradient på flera GV/m . Partikelacceleratorer som för närvarande används, som CERNs LHC , använder standard- eller supraledande RF-kaviteter för acceleration, men de är begränsade till en accelerationsgradient i storleksordningen 100 MV/m.
Cirkulära acceleratormaskiner är inte effektiva för att transportera elektroner med hög energi på grund av den stora energiförlusten i synkrotronstrålning . Linjäracceleratorer har inte detta problem och är därför bättre lämpade för att accelerera och transportera elektroner med höga energier.
AWAKEs höga accelerationsgradient kommer att möjliggöra konstruktionen av en ny generation av kortare och billigare högenergiacceleratorer, vilket representerar ett stort steg i partikelacceleratortekniken, speciellt för linjära elektronacceleratorer.
Proton gäng-driven plasma wakefield acceleration
Ett plasma består av positivt laddade joner och negativt laddade fria elektroner, medan de förblir makroskopiskt neutrala. Om ett starkt elektriskt fält appliceras kan joner och elektroner separeras rumsligt. Ett lokalt elektriskt fält skapas därigenom, sålunda kan en laddad partikel som kommer in i ett sådant plasma accelereras.
När föraren, det positivt laddade protongänget, penetrerar plasmat, drar det till sig de negativt laddade plasmaelektronerna, de överskjuter och börjar svänga, vilket skapar ett wakefield. Interaktionen mellan wakefield och en laddad partikel som injiceras bakom protonen kan tolkas som densamma som den mellan en surfare och en våg . Den senare kommer att överföra sin energi till surfaren som därmed kommer att accelereras. Wakefältet består av inbromsande och accelererande fas, samt fokuserings- och defokuseringsfas. Elektronknippets injektionsposition i vakfältet är alltså avgörande, eftersom endast en bråkdel (1/4-del) av vakfältet både fokuseras och accelereras, vilket behövs för att fånga och accelerera elektronerna. AWAKE är det första plasma wakefield-experimentet som använder ett gäng protoner som drivkraft. Protoner, som till exempel protonerna som bildar CERN SPS, kan bära en stor mängd energi (~ 400 GeV). Därför kan de producera wakefields i ett plasma för mycket längre sträckor än en laserpuls eller ett elektronknippe som drivkraft på grund av energiutarmning.
Ett plasma kan ses som en ensemble av oscillatorer med en frekvens av plasmafrekvensen ω p 2 =4n e 2 /εm e , med n e plasmaelektrondensiteten , m e elektronmassan och e elementarladdningen. För att excitera dessa oscillatorer resonant måste drivenheten innehålla en Fourier- komponent nära plasmafrekvensen ω p . Dessutom bör längden på drivgruppen vara nära plasmavåglängden λ p (=2πc/ω p med c är ljusets hastighet ). För AWAKE-liknande densitet (n e ≈ 1•10 15 cm −3 ) motsvarar detta ungefär λ p ≈ 1 mm. Längden på för närvarande tillgängliga protonklasar överstiger dock detta värde avsevärt. AWAKE-vinster bildar den seedade självmoduleringen (SSM) av protongänget som färdas genom plasmat, vilket delar upp det långa protongänget i korta mikrobuntar med längden på plasmavåglängden som kan driva wakefield resonant.
AWAKE-anläggningen
AWAKE-experimentet är installerat på CERN, i den tidigare anläggningen CERN Neutrinos to Gran Sasso ( CNGS). Denna plats valdes för sin underjordiska plats, och den var speciellt designad för användning av högenergiprotonstrålar utan några betydande strålningsproblem .
Protonknippen för AWAKE extraheras från CERN SPS och transporteras genom en ~800 meter lång strållinje till den 10 meter långa ångkällan av AWAKE. Elektronvittnesknippen injiceras bakom protongänget. För att upptäcka acceleration av de injicerade elektronerna installeras en dipolmagnet efter ångan som böjer deras väg. Ju större elektronens energi, desto mindre krökning av dess väg. En scintillationsskärm detekterar sedan accelererade elektroner.
Ångkällan innehåller Rubidium (Rb) -ånga som joniseras av en Ti:Sapphire- laser . Ångkällan är omgiven av ett oljebad. Genom att ställa in temperaturen på oljan kan Rb-ångdensiteten ställas in och hållas enhetlig längs ångkällan.
AWAKE använder en laserpuls för att jonisera Rb-ångan. Genom att fortplanta laserpulsen ko-linjärt inom protonbunten, grundar den hårda kanten av strålen/plasma-interaktionen protonbuntens självmodulering, vilket framtvingar tillväxten över den 10 m långa plasman. Det gör det också möjligt att skapa en fasreferens för start av wakefield, vilket behövs för att injicera vittnesgänget i rätt fas för fångst och acceleration. Elektronerna produceras genom att skicka lasern till en fotokatod med RF-kanon.
Tidslinje
Den första körningen varade från 2016 till 2018. Den tio meter långa ångkällan installerades 11 februari 2016 och den första protonstrålen skickades genom strålledningen och den tomma ångkällan den 16 juni 2016. De första uppgifterna med ett protonknippe inne i plasman förvärvades i december 2016. Den 26 maj 2018 accelererade AWAKE en elektronstråle för första gången. Strålen accelererades från 19 MeV till 2 GeV över ett avstånd av 10 m.
En andra körning är planerad till 2021 till 2024. Accelerationsgradienten kommer att ökas och emissionen förväntas krympa. Det är planerat att öka elektronenergin till 10 GeV. Efter denna fas är målet att öka energin till minst 50 GeV och tillhandahålla strålar för första applikationer.
externa länkar
| Large Hadron Collider (LHC) | |
|---|---|
| Large Electron-Positron Collider (LEP) | |
| Super Proton Synchrotron (SPS) | |
| Proton Synchrotron (PS) | |
| Linjäracceleratorer | |
| Andra acceleratorer | |
| Icke-acceleratorexperiment | |
| Framtida projekt | |
| Relaterade artiklar | |
