האצת פלסמה

ההיסטוריה של האצת פלסמה

מי שהגו את המושגים הבסיסיים של האצת פלסמה והאפשרויות שלה היו טושיקי טאג'ימה ופרופסור ג'ון מ. דוסן מ-UCLA בשנת 1979. העיצובים הניסיוניים ההתחלתיים של מאיץ ה-"wakefield" נהגו ב-UCLA על ידי פרופ. צ'אן ג'ושי ואחרים. מכשירים ניסיוניים נוכחיים מראים שיפועי האצה טובים יותר בכמה סדרי גודל, על פני מרחקים מאוד קצרים, בהשוואה למאיצי החלקיקים הנוכחיים (בערך סדר גודל אחד טוב יותר בקנה מידה של מטר אחד: 1GeV\m עבור מכשירים הניסיוניים לעומת 0.1GeV\m עבור מאיץ RF).
ייצור מאיצי פלזמה קומפקטיים ובעלות נמוכה יאפשרו להשתמש בהם במגוון יישומים, החל מפיזיקת חלקיקים וכלה ביישומים רפואיים ותעשייתיים. היישומים הרפואיים כוללים את בטאטרון, אבחוני מחלות או הקרנות, כמו גם מקורות פרוטונים עבור תרפיית חלקיקים.

מאיצי פלסמה כיום

מאיצי פלסמה בדרך כלל משתמשים בגלים מאוד מהירים (wakefields) שמופקים על ידי גלי פלסמה צפופים. אולם, מאיצי פלסמה יכולים לתפקד במספר רב של דרכים בהתאם למאפייני הפלסמה בה משתמשים.
לדוגמה, מאיץ לייזר-פלזמה ניסיוני במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי מאיץ אלקטרונים לאנרגיה של 1GeV לאורך 3.3 ס"מ בקירוב (5.4x1020 gn), בעוד שהמאיץ הקונבנציונלי  (מאיץ האלקטרונים באנרגיה הכי גבוהה) במעבדת SLAC מצריך האצה לאורך של 64 מטרים כדי להגיע לאותה אנרגיה.
באופן דומה, בשימוש בפלזמות הושגה תוספת אנרגיה של 40GeV בעזרת האלומה של המאיץ הקווי בסטנפורד  (42GeV) שנמצא ב SLAC תוך מרחק של 85 ס"מ בעזרת מאיץ  גלי הפלסמה המהירים (8.9x1020 gₙ). ברגע שהמאיץ יהיה מפותח מספיק יהיה ניתן להחליף הרבה ממאיצי ה-RF המסורתיים שכרגע נמצאים במאיצי חלקיקים, בתי חולים ומתקני מחקר.
מתקן הלייזר באוניברסיטת טקסס באוסטין האיץ אלקטרונים לאנרגיה של 2GeV לאורך 2 ס"מ (1.6x1021 gₙ). השיא הזה נשבר(ביותר מפי שניים) ב-2014 על ידי מדענים במאיץ לייזר-פלסמה BELLA, במעבדה הלאומית בלורנס ברקלי, כשהם הפיקו  אלומות אלקטרונים עד לאנרגיה של 4.25GeV.
בסוף 2014, חוקרים ממעבדת המאיצים הלאומית SLAC, פרסמו הוכחה לישימות של טכנולוגיית האצת הפלסמה בעזרת המתקן לבדיקות מאיץ ניסיוניות מתקדמות (FACET). ההוכחה הראתה שמאיץ פלסמה יכול להשיג מעבר אנרגיה גדול פי 400-500 בהשוואה למבנה הכללי של מאיץ קווי.
ניסוי להוכחה של עקרון מאיץ גלי פלסמה מהירים בשימוש באלומת פרוטונים בעלת אנרגיה של 400GeV מ-סופר פרוטון סינכרוטרון פועל כרגע  ב-CERN. הניסוי, שנקרא AWAKE, התחיל בניסויים בסוף 2016.

הפיזיקה של האצת פלסמה

פלסמה מורכבת מנוזל בעל מטענים חיוביים ושליליים, בדרך כלל נוצר על ידי חום או פוטויוניזציה של גז מדולל.
תחת תנאים רגילים הפלסמה תהיה נייטרלית(או נייטרלית למחצה) ברמה המאקרוסקופית, כמות שווה של אלקטרונים ויונים אשר נמצאים בשיווי משקל. אבל אם ישנה נוכחות של שדה כוח מגנטי או שדה אלקטרומגנטי חזק מספיק, אלקטרוני הפלסמה אשר מאוד קלים יחסית ליוני הרקע (לפחות פי 1836), ייפרדו מרחבית מהיונים הכבדים ויצרו חוסר שיווי משקל במטענים באזור המתואר. מטען אשר מוכנס לפלסמה כזאת יואץ על ידי השדה שנוצר כתוצאה מההפרדה במטענים, אבל כיוון שגודל שדה זה בדרך כלל דומה לזה של השדה החיצוני, למעשה שום דבר לא מושג יחסית למערכת שגרתית אשר מספקת בפשטות את השדה החשמלי או המגנטי ישירות לחלקיק. עם זאת, חומר הפלסמה מתפקד כשנאי היעיל ביותר (שידוע עד כה) של השדה הרוחבי של גל אלקטרומגנטי לשדות אורכיים של גל הפלסמה.
בטכנולוגיית המאיצים הקיימת, נעשה שימוש במגוון חומרים המעוצבים בצורה הולמת בכדי להמיר  שדות רוחביים מאוד עוצמתיים שמופצים לשדות אורכיים, מהם החלקיקים יוכלו לקבל "בעיטה". התהליך מושג באמצעות שתי גישות: מבני גלים עומדים (כמו חללי תהודה) או מבני גל נודד כגון מדריכי גלים טעוני דיסק (disc loaded waveguides) וכו'. אבל ההגבלה של חומרים הבאים באינטראקציה עם שדות חזקים יותר ויותר היא שבסופו של דבר הם מושמדים עקב ינון והתפרקות. כאן, מדע האצת הפלסמה מספק את פריצת הדרך לייצר, לקיים לאורך זמן ולנצל את השדות החזקים ביותר שאי פעם הופקו על ידי המדע במעבדה.
מה שהופך את המערכת לשימושית היא האפשרות לייצר לראשונה גלים, בהם הפרדת המטען מאוד טובה, המתפשטים דרך הפלסמה בדומה לתפיסת הגל הנודד במאיץ הקונבנציונלי. המאיץ מסנכרן חבורת חלקיקים עם אחד הגלים הללו והגל המרחבי הטעון הזה מאיץ אותם למהירויות גבוהות יותר תוך שמירה על המאפיינים החבורה. נכון לעכשיו, שדות חשמליים חזקים (המכונים "wakes") נוצרים על ידי פולסי לייזר בעלי צורה מתאימה או חבורות אלקטרונים. אלקטרוני הפלסמה מונעים החוצה מן המרכז של השדה העוצמתי על ידי הכוח הפונדרמוטיבי (ponderomotive force) או על ידי השדות האלקטרוסטטיים מהגורמים שיוצרים את השדה העוצמתי (חבורות אלקטרונים או פולסי לייזר). היונים שבפלסמה יותר מידיי מסיביים מכדי לזוז באופן משמעותי, לכן מניחים שהם נייחים בזמן בו האלקטרונים בפלסמה מגיבים לשדות שנוצרים על ידי הגורמים שהוזכרו. כאשר השדות (אלה שגרמו להיווצרות השדה החשמלי החזק) עוברים דרך פלסמה, אלקטרוני הפלסמה חווים כוח משיכה חזק בחזרה למרכז השדה החשמלי, כשעל אותה משיכה אחראים היונים החיוביים בפלסמה שנותרו ממוקמים שם (בצורת תא, בועה או עמודה של יונים), כפי שהיו במקור בפלסמה לפני שהושפעה על ידי הלייזר או האלקטרונים. זה יוצר שדה חשמלי אורכי (תכונה המאפשרת את האצת האלקטרונים) ורוחבי (שמאפשר את המיקוד של חבורת האלקטרונים) חזק ביותר. המטען החיובי של היונים באזור הפרדת המטען יוצר גרדיאנט ענק בין החלק האחורי של השדה החשמלי, שבו יש אלקטרונים רבים, ולבין אמצע השדה, שם נמצאים בעיקר יונים. האלקטרונים המצויים בין שני האזורים הללו יואצו (ב"מנגנון הזרקה עצמית"-"self-injection mechanism"). בשיטת ההזרקה החיצונית של האלקטרונים, הם מוכנסים אסטרטגית כדי להגיע לאזור המפונה תוך הסטה או הרחקה מקסימלית של אלקטרוני הפלסמה.
שדה מונחה-קרן יכול להיווצר על ידי שליחה של פרוטון רלטיביסטי או מקבץ אלקטרונים אל גז או פלסמה מתאימים. בחלק מהמקרים, הגז יכול להיות מיונן על ידי מקבץ האלקטרונים, כך שמקבץ האלקטרונים יוצרים גם את הפלסמה וגם את השדה. הדבר מצריך מקבץ אלקטרונים בעל מטען גדול יחסית, כלומר, שדות חזקים. לאחר מכן השדות החזקים של מקבץ האלקטרונים "דוחפים" את אלקטרוני הפלסמה מחוץ למרכז, ובכך יוצרים את השדה.
בדומה לשדה מונחה-קרן, יכול להיעשות שימוש בפעימת לייזר כדי ליצור את שדה הפלסמה. כאשר הפעימה נעה דרך הפלסמה, השדה החשמלי של האור מפריד את האלקטרונים והגרעינים באותה הדרך בה שדה חיצוני היה פועל.
אם השדות חזקים מספיק, כל יוני הפלסמה המיוננת יכולים להתרחק ממרכז השדה: זה נקרא גם "שיטת ההתפרצות" ( "blowout regime"). למרות שהחלקיקים אינם נעים מאוד מהר בפרק הזמן הנתון, ברמה המאקרוסקופית נראה כי ישנה "בועה" של מטען אשר נעה דרך הפלסמה במהירות הקרובה למהירות האור. הבועה הזאת מהווה אזור נקי מאלקטרונים כך שמטענה חיובי, ואחריה יש אזור בו האלקטרונים חוזרים למרכז כך שמטען האזור שלילי. זה מותיר אזור קטן בו הפרש פוטנציאלים חזק שעוקב אחרי פעימת הלייזר.
בשיטה הליניארית, האלקטרונים בפלסמה אינם מוסרים לחלוטין ממרכז השדה החשמלי העוצמתי. במקרה זה, יכולה להיות מיושמת משוואת גל פלסמה ליניארי. עם זאת, נראה כי השדה החשמלי העוצמתי דומה מאוד ל"שיטת ההתפרצות", והפיזיקה של ההאצה זהה.
זה מקבץ השדות החשמליים העוצמתיים ("Wakefield") המשמש להאצת החלקיקים. חלקיק המוזרק לתוך הפלסמה ליד אזור הצפיפות הגבוהה יחווה האצה לעברו או הרחק ממנו, האצה המתמשכת ככל שמקבץ השדות נע דרך החתך, עד החלקיק בסופו של דבר מגיע למהירות של המקבץ. ניתן להגיע לאנרגיות גבוהות אף יותר על ידי הזרקת החלקיק לנוע לרוחב מקבץ השדות החשמליים החזקים, באופן הדומה מאוד לגולש שיכול לנסוע במהירות הרבה יותר גבוהה מאשר מהירות הגל עליו גולש על ידי תנועה לרוחבו. מאיצים שנועדו לנצל את הטכניקה הזו כונו בלשון המדוברת "גלישטרונים" ("surfatrons").

השוואה להאצה באמצעות שדה חשמלי בתדירות רדיו RF

היתרון של האצת פלסמה הוא ששדה ההאצה שלה יכול להיות הרבה יותר חזק מזה של מאיצי החלקיקים השגרתיים, בתדר רדיו (מאיצים בהם נעשה שימוש בשדה חשמל בתדירות רדיו: RF-Radio Frequency). במאיצי RF, לשדה החשמלי הנוצר יש תחום גבול עליון שנקבע על ידי סף הפריצה החשמלית של צינור ההאצה. זה מגביל את כמות ההאצה על פני כל אזור נתון, עובדה הדורשת מאיצים ארוכים מאוד על מנת להגיע לאנרגיות גבוהות. לעומת זאת, השדה המקסימלי בפלסמה מוגדר על ידי תכונות מכניות וערבול (בהקשר לתנועת האלקטרונים), אך הוא בדרך כלל חזק יותר בכמה סדרי גודל מאשר השדה הנוצר על ידי מאיצי RF. ישנה תקווה שיהיה ניתן ליצור מאיץ חלקיקים קומפקטי על בסיס טכניקות האצת פלסמה או שיוכלו להיבנות מאיצים שיביאו את החלקיקים המואצים לאנרגיות הרבה יותר גבוהות, לאור העובדה שניתן לבנות מאיצים ארוכים עם שדה מאיץ בגודל של 10GV/m.