Ускорение в плазменных каналах

Плазменные каналы представляют собой упорядоченные структуры, создаваемые в плазме с целью направленного распространения электромагнитного излучения или пучков частиц на значительные расстояния без существенной расходимости. Применение плазмы в качестве среды ускорения связано с её способностью выдерживать огромные напряженности электрических полей, недостижимые в традиционных ускорительных структурах.

Ключевая идея ускорения в плазменных каналах заключается в создании квазистационарных условий, в которых возбуждённые электромагнитные или плазменные волны сохраняют устойчивость на протяжении протяжённого взаимодействия с пучком частиц. Это обеспечивает более эффективную передачу энергии от лазерного импульса или драйверного пучка к ускоряемым зарядам.

Формирование плазменных каналов

Методы создания каналов:

1. Ионизационный прогрев газа лазером. Мощный лазерный импульс ионизует газ вдоль оси, формируя область пониженной плотности в центре. В результате возникает канал, в котором световой импульс может распространяться на большие расстояния без дифракции.

2. Разрядные каналы. Электрический разряд в газе создаёт плазменный канал с радиальным градиентом плотности, что стабилизирует распространение лазерного импульса.

3. Самофокусировка. При высоких интенсивностях лазерного излучения проявляется нелинейный эффект самофокусировки, когда изменяющаяся с радиусом плотность плазмы удерживает пучок от расходимости.

Основное требование: плазменный канал должен обладать оптимальным градиентом плотности, обеспечивающим баланс между дифракцией лазера и эффектами нелинейного самовоздействия.

Условия ускорения в канале

Ускорение в плазменных каналах определяется балансом трёх факторов:

• Длина взаимодействия. Чем длиннее канал, тем больше энергии может быть передано ускоряемым частицам. Однако сохранение стабильности плазмы требует строгого контроля над профилем плотности.
• Согласование скоростей. Фазовая скорость возбуждённых плазменных волн должна быть близка к скорости частиц, чтобы обеспечить эффективное ускорение без потери синхронности.
• Сохранение фокусировки. Частицы должны удерживаться вблизи оси канала за счёт радиальных электрических и магнитных сил плазмы, иначе они покидают область эффективного ускорения.

Лазерно-плазменные каналы

Наиболее активно исследуются каналы для лазерного кильватерного ускорения. Лазерный импульс, проходящий через плазму, возбуждает плазменные колебания с огромной напряжённостью продольного электрического поля. В канале такие колебания сохраняются значительно дольше, чем в однородной плазме.

Ключевые особенности:

• Лазерный импульс может сохранять свою интенсивность на длине, в десятки раз превышающей дифракционную длину Рэлея.
• Канал позволяет повысить энергию ускоряемых электронов с гигаэлектронвольтного до теравольтного диапазона на компактных расстояниях.
• Применение многоканальных систем открывает путь к каскадному наращиванию энергии пучков.

Каналы для пучкового кильватерного ускорения

Аналогичные принципы применяются при возбуждении плазменных волн не лазером, а драйверным пучком заряженных частиц. Пучок высокой плотности создаёт плазменный «пузырь» и возбуждает кильватерные колебания. Канал позволяет продлить существование этих структур и увеличить эффективность передачи энергии от драйвера к ускоряемым частицам.

Стабильность и нелинейные эффекты

В плазменных каналах проявляются нелинейные явления, которые могут ограничивать ускорение:

• Нелинейная самофокусировка. Чрезмерное усиление приводит к разрушению канала.
• Деформация плазменных волн. При сильных возмущениях форма кильватерного поля становится асимметричной, что снижает качество ускоряемого пучка.
• Ионизационные эффекты. При недостаточном контроле параметров газа происходит неравномерное ионизирование, что приводит к флуктуациям плотности.

Для стабилизации процессов используются: предварительно сформированные каналы, методики поэтапного нагрева газа, а также использование внешних магнитных полей для удержания плазмы в заданной конфигурации.

Экспериментальные результаты и перспективы

Современные эксперименты показали, что:

• Электроны могут быть ускорены до энергий порядка 1–10 ГеВ в каналах длиной всего несколько сантиметров.
• Использование газовых струй и разрядных капилляров позволило сформировать протяжённые плазменные каналы длиной десятки сантиметров с высокой однородностью.
• Совмещённые схемы, где каналы создаются разрядом, а возбуждаются лазером, продемонстрировали стабильное ускорение с узким энергетическим спектром пучка.

Перспективы плазменных каналов связаны с развитием многостадийных систем, где несколько каналов соединяются для последовательного увеличения энергии, а также с применением новых источников мощных лазеров и ускорителей-драйверов.