Кильватерное ускорение в плазме (plasma wakefield acceleration, PWFA) представляет собой один из наиболее перспективных методов создания ускорителей нового поколения. Его ключевая идея заключается в том, что быстрый пучок заряженных частиц или мощный лазерный импульс, проходя через плазму, возбуждает за собой продольные электромагнитные волны — так называемые кильватерные поля. Эти поля обладают гигантскими градиентами ускоряющего электрического поля, на порядки превышающими традиционные ускорительные структуры на СВЧ-резонаторах.
Когда интенсивный драйвер (электронный или протонный пучок, либо лазерный импульс) проникает в плазму, он вытесняет из области своего движения свободные электроны. Электроны, обладающие высокой подвижностью, смещаются относительно более тяжелых ионов, которые остаются практически неподвижными. В результате возникает сильная пространственная неоднородность зарядовой плотности.
Под действием кулоновских сил электроны стремятся вернуться в область, откуда были вытеснены, и совершают коллективные колебания вокруг положения равновесия. Эти колебания формируют плазменные волны, фаза которых отстает от фронта возбуждающего пучка. Дальнейшее внедрение электронов в данное колебательное поле приводит к возникновению сильных продольных электрических полей — они и служат основным ускоряющим фактором.
Электрическое поле кильватерной волны имеет ярко выраженную пространственную периодичность, определяемую плазменной частотой.
Плазменная частота определяется выражением:
$$ \omega_p = \sqrt{\frac{n_e e^2}{\varepsilon_0 m_e}} $$
где ne — концентрация электронов в плазме, e — заряд электрона, me — масса электрона, ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума.
Соответствующая длина волны плазменных колебаний равна:
$$ \lambda_p = \frac{2\pi c}{\omega_p} $$
Отсюда следует, что пространственная структура ускоряющего поля напрямую зависит от плотности плазмы: чем выше ne, тем короче длина волны и выше частота колебаний.
В области за драйвером возникает последовательность ускоряющих и тормозящих фаз. Правильное размещение «свидетельного» (тестового) пучка относительно драйвера позволяет использовать только ускоряющую часть кильватерной волны.
Одним из ключевых достоинств плазменного ускорения является гигантский градиент поля, недостижимый в традиционных ускорительных структурах. В вакуумных СВЧ-резонаторах градиенты ограничены электрическим пробоем на уровне ~100 МэВ/м. В плазме же ускоряющее поле может достигать 10–100 ГэВ/м, что в сотни и тысячи раз выше.
Максимальная величина ускоряющего поля может быть оценена как:
$$ E_{\text{max}} \approx \frac{m_e c \omega_p}{e} $$
Это поле соответствует амплитуде, при которой электроны полностью вытесняются из области движения драйвера, а ионы формируют положительный «пузырь» (bubble regime), обеспечивающий устойчивое ускорение.
Существует несколько способов создания плазменных волн:
Лазерно-возбужденное кильватерное ускорение (LWFA, Laser Wakefield Acceleration). Мощный ультракороткий лазерный импульс ионизирует и возбуждает плазму, формируя за собой кильватерную волну. Для этого требуются лазеры с пиковой мощностью порядка тераватт — петаватт и длительностью фемтосекунды.
Ускорение с использованием электронного пучка (PWFA). Высокоэнергетический пучок электронов, проходя через плазму, вытесняет электроны и возбуждает плазменные колебания. В этом режиме применяются драйверы с энергиями десятков ГеВ и плотностью частиц, сравнимой с плотностью плазмы.
Протонное кильватерное ускорение. Длинные и энергичные протонные пучки (например, с ускорителей типа SPS на CERN) могут возбуждать плазменные волны через процесс модуляционной неустойчивости, дробясь на короткие микропакеты, каждый из которых возбуждает колебания.
В слабом режиме возбуждения поле описывается линейной теорией, и амплитуда кильватерных волн относительно мала. Однако при достаточной интенсивности драйвера система выходит в нелинейный режим, называемый bubble regime.
В этом режиме электроны полностью вытесняются из центральной области, образуя ионную полость. Такая структура обеспечивает:
Именно «пузырьковый режим» считается наиболее перспективным для практических приложений.
Несмотря на впечатляющие перспективы, кильватерное ускорение сталкивается с рядом проблем:
В последние десятилетия достигнут значительный прогресс:
Дальнейшее развитие связано с интеграцией нескольких плазменных модулей, повышением стабильности генерации пучков и их качественных параметров. Кильватерное ускорение рассматривается как возможная основа для компактных коллайдеров высокой энергии, а также для создания источников рентгеновского и гамма-излучения нового поколения.