Плазменное кильватерное ускорение представляет собой метод ускорения заряженных частиц за счёт возбуждения в плазме сильных продольных электрических полей, возникающих вследствие прохождения через неё возмущающего источника — пучка заряженных частиц или лазерного импульса. Эти поля могут достигать значений порядка десятков и даже сотен гигаВольт на метр, что на несколько порядков превышает предельные напряжённости в традиционных ускорителях на основе СВЧ-резонаторов.
Ключевой физический механизм заключается в том, что плазма, будучи квазинейтральной средой из электронов и ионов, способна восстанавливаться после локального возмущения с характерной собственной частотой — плазменной частотой электронов. Если мощный возмущающий импульс смещает электроны из равновесного положения, ионы, обладающие гораздо большей массой, остаются практически неподвижными. Возврат электронов создаёт осцилляции плотности заряда и электрические поля, распространяющиеся следом за возмущающим фронтом, подобно кильватерной волне за лодкой.
Плазменная частота электронов выражается как
$$ \omega_p = \sqrt{\frac{4 \pi n_e e^2}{m_e}}, $$
где ne — концентрация электронов, e — заряд электрона, me — его масса.
Длина волны кильватерной плазменной волны:
$$ \lambda_p = \frac{2\pi c}{\omega_p}. $$
При концентрациях плазмы ne ∼ 1017 − 1019 см−3 длина волны плазменных колебаний находится в диапазоне десятков — сотен микрон, что согласуется с длительностью ультракоротких лазерных импульсов (фемтосекундный масштаб) или протяжённостью пучков электронов высокой яркости.
Максимальная величина продольного электрического поля в плазме оценивается как
$$ E_0 \approx \frac{m_e c \omega_p}{e}. $$
При плотности плазмы ne ∼ 1018 см−3 это значение составляет около 100 ГВ/м.
1. Лазерно-возбуждённое кильватерное ускорение (LWFA, Laser Wakefield Acceleration). Ультракороткий лазерный импульс высокой интенсивности, проходя через плазму, выталкивает электроны из области максимальной интенсивности давления света (эффект пондеромоторной силы). Возникает пустота с избыточным положительным зарядом и формируется кильватерная волна. В так называемом «пузырьковом» (blowout) режиме лазерный импульс полностью вытесняет электроны из своего объёма, создавая сферическую каверну, за которой движутся ускоряющие и фокусирующие поля.
2. Пучково-возбуждённое кильватерное ускорение (PWFA, Plasma Wakefield Acceleration). Ультрарелятивистский пучок электронов или позитронов высокой плотности, проходя через плазму, вытесняет электроны. Вслед за ведущим пучком («драйвером») формируются плазменные колебания. В этом режиме ускорение может достигать огромных градиентов при сохранении высокой степени контроля над процессом, особенно при использовании специально сформированных пучков-сателлитов.
Одним из центральных вопросов технологии является ввод («инжекция») частиц в ускоряющую фазу плазменной волны. Существует несколько стратегий:
Инжекция определяет яркость, спектральную ширину и стабильность ускоренного пучка.
В линейном режиме возмущения плотности малы, и уравнения для плазменных колебаний можно линейнизовать. Кильватерная волна близка к синусоидальной, и ускоряющее поле ограничено относительно небольшими величинами.
В нелинейном (пузырьковом) режиме, напротив, электроны полностью вытесняются, ионовая полость создаёт сильное электрическое поле. Здесь ускоряющие градиенты максимальны, но нелинейность требует сложного моделирования и высокоточного управления параметрами импульсов.
С конца XX века прогресс в технологии ультракоротких лазеров и генерации релятивистских электронных пучков сделал возможными прорывные эксперименты. Уже в первых демонстрациях LWFA удавалось получать электроны с энергиями порядка 100 МэВ на длинах ускорения всего несколько миллиметров.
Позднее были достигнуты энергии в десятки гигаэлектронвольт. В экспериментах на SLAC (проект FACET) удалось ускорить электроны с помощью пучкового драйвера на десятки ГэВ в плазменных структурах длиной десятки сантиметров. Это подтверждает возможность масштабирования метода для будущих коллайдеров.
Плазменные кильватерные ускорители открывают путь к компактным источникам частиц с рекордными ускоряющими градиентами. В перспективе они могут заменить значительные части традиционных ускорителей, сократив размеры и стоимость установок. Уже сегодня такие технологии применяются для создания компактных источников рентгеновского излучения, медицины и материаловедения. Их дальнейшее развитие тесно связано с совершенствованием лазерной техники, пучковой физики и численного моделирования нелинейных плазменных процессов.