האצת פלזמה
הפיזיקה של האצת פלזמה

פלזמה מורכבת מנוזל בעל מטענים חיוביים ושליליים, בדרך כלל נוצר על ידי חום או פוטויוניזציה של גז מדולל.
תחת תנאים רגילים הפלזמה תהיה נייטרלית (או נייטרלית למחצה) ברמה המקרוסקופית, כמות שווה של אלקטרונים ויונים אשר נמצאים בשיווי משקל. אבל אם ישנה נוכחות של שדה כוח מגנטי או שדה אלקטרומגנטי חזק מספיק, אלקטרוני הפלזמה אשר מאוד קלים יחסית ליוני הרקע (לפחות פי 1836), ייפרדו מרחבית מהיונים הכבדים ויצרו חוסר שיווי משקל במטענים באזור המתואר. מטען אשר מוכנס לפלזמה 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 הפלזמה מתפקד כשנאי היעיל ביותר (שידוע עד כה) של השדה הרוחבי של גל אלקטרומגנטי לשדות אורכיים של גל הפלזמה.
בטכנולוגיית המאיצים הקיימת, נעשה שימוש במגוון חומרים המעוצבים בצורה הולמת כדי 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 הפלזמה 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 הפלזמה 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 הפלזמה 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 שבפלזמה יותר מידיי מסיביים מכדי לזוז באופן משמעותי, לכן מניחים שהם נייחים בזמן בו האלקטרונים בפלזמה מגיבים לשדות שנוצרים על ידי הגורמים שהוזכרו. כאשר השדות (אלה שגרמו להיווצרות השדה החשמלי החזק) עוברים דרך פלזמה, אלקטרוני הפלזמה חווים כוח משיכה חזק בחזרה למרכז השדה החשמלי, כשעל אותה משיכה אחראים היונים החיוביים בפלזמה שנותרו ממוקמים שם (בצורת תא, בועה או עמודה של יונים), כפי שהיו במקור בפלזמה 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 הפלזמה.
שדה מונחה-קרן יכול להיווצר על ידי שליחה של פרוטון רלטיביסטי או מקבץ אלקטרונים אל גז או פלזמה מתאימים. בחלק מהמקרים, הגז יכול להיות מיונן על ידי מקבץ האלקטרונים, כך שמקבץ האלקטרונים יוצרים גם את הפלזמה וגם את השדה. הדבר מצריך מקבץ אלקטרונים בעל מטען גדול יחסית, כלומר, שדות חזקים. לאחר מכן השדות החזקים של מקבץ האלקטרונים "דוחפים" את אלקטרוני הפלזמה מחוץ למרכז, ובכך יוצרים את השדה.
בדומה לשדה מונחה-קרן, יכול להיעשות שימוש בפעימת לייזר כדי ליצור את שדה הפלזמה. כאשר הפעימה נעה דרך הפלזמה, השדה החשמלי של האור מפריד את האלקטרונים והגרעינים באותה הדרך בה שדה חיצוני היה פועל.
אם השדות חזקים מספיק, כל יוני הפלזמה המיוננת יכולים להתרחק ממרכז השדה: זה נקרא גם "שיטת ההתפרצות" ( "blowout regime"). אף על פי שהחלקיקים אינם נעים מאוד מהר בפרק הזמן הנתון, ברמה המאקרוסקופית נראה כי ישנה "בועה" של מטען אשר נעה דרך הפלזמה 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 בפלזמה אינם מוסרים לחלוטין ממרכז השדה החשמלי העוצמתי. במקרה זה, יכולה להיות מיושמת משוואת גל פלזמה 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 הפלזמה 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").