شتاب دهنده های پلاسما

شتاب پلاسما تکنیکی برای تسریع ذرات باردار است ، مانند الکترون ، پوزیترون و یون ، با استفاده از میدان الکتریکی مرتبط با موج پلاسمای الکترون یا سایر ساختارهای پلاسما با گرادیان بالا (مانند زمینه های شوک و غلاف). ساختارهای شتاب دهنده پلاسما یا با استفاده از پالس های لیزر بسیار کوتاه یا پرتوهای ذره ای پرانرژی ایجاد می شوند که با پارامترهای پلاسما مطابقت دارند.   این تکنیک ها راهی برای ساخت شتاب دهنده های ذره با کارایی بالا با اندازه بسیار کمتر از دستگاه های معمولی ارائه می دهند. مفاهیم اساسی شتاب گیری پلاسما و امکانات آن در ابتدا توسط توشیکی تاجیما و جان ام. داوسون از UCLA در سال 1979 تصور شد. طرح های آزمایشی اولیه برای یک شتاب دهنده "Wakefield" در UCLA توسط Chandrashekhar J. Joshi و همکاران طراحی شد. دستگاه های آزمایشی کنونی شیب های شتاب دهنده چندین مرتبه بزرگتر از شتاب دهنده های ذرات فعلی را در فواصل بسیار کوتاه نشان می دهند و تقریباً یک مرتبه بزرگتر (1 GeV / m  در مقابل 0.1 GeV / m برای یک شتاب دهنده RF ) در مقیاس یک متر

شتاب دهنده های پلاسما نوید زیادی برای نوآوری شتاب دهنده های ارزان قیمت و جمع و جور برای کاربردهای مختلف اعم از فیزیک انرژی بالا گرفته تا کاربردهای پزشکی و صنعتی دارند. برنامه های پزشکی شامل منابع نور بتاترون و الکترون آزاد برای تشخیص یا پرتودرمانی و منابع پروتون برای درمان هادرون است. شتاب دهنده های پلاسما معمولاً از میدان های بیداری تولید شده توسط امواج تراکم پلاسما استفاده می کنند. با این حال ، شتاب دهنده های پلاسما بسته به ویژگی های پلاسمای مورد استفاده می توانند در رژیم های مختلف عمل کنند.

به عنوان مثال ، یک شتاب دهنده پلاسما لیزری آزمایشی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی ، الکترونها را تا 1 GeV بیش از 3.3 سانتی متر (5.4x1020 gn) شتاب می دهد ، و یک شتاب دهنده معمولی (بالاترین شتاب دهنده انرژی الکترون) در SLAC برای رسیدن به همان سرعت 64 متر نیاز دارد. انرژی. به همین ترتیب ، با استفاده از پلاسما ، بهره انرژی بیش از 40 GeV با استفاده از پرتو SLAC SLC (42 GeV) فقط در 85 سانتی متر با استفاده از یک شتاب دهنده بیدارسازی پلاسما (8.9x1020 gn) بدست آمد. پس از توسعه کامل ، این فناوری می تواند جایگزین بسیاری از شتاب دهنده های RF سنتی شود که هم اکنون در برخورد کننده های ذرات ، بیمارستان ها و مراکز تحقیقاتی یافت می شوند.

سرانجام ، اگر شتاب یونی در حین انبساط یک پلاسما در خلا نیز ذکر نشود ، شتاب پلاسما کامل نخواهد بود. این فرآیند ، به عنوان مثال ، در تعامل شدید هدف لیزر و جامد رخ می دهد و اغلب به عنوان هدف نامیده می شود شتاب طبیعی غلاف. مسئول جبهه یخی و تند و تیز پلاسمای در حال انبساط ، فرآیند شکستن موج یونی است که در فاز اولیه تکامل صورت می گیرد و توسط معادله ساک-شامل شرح داده شده است.