شتاب دادن ذره و موج‌های نسبیتی در پلاسما



شتاب دادن ذره و موج‌های نسبیتی در پلاسما

 

مترجم: فرید احسانلو
منبع:راسخون
 
در جستجوی مداومی که برای واحدهای ساختمانی اصلی ماده صورت گرفته است، شتاب دهنده‌های ذرات از سال‌های ۱۹۳۰ به بعد (که سیکلوترون اختراع شد) از ابزارهای ضروری فیزیک‌دان‌ها بوده‌اند. بر خلاف شتابدهنده‌های اولیه که روی میزها جا می‌گرفت، سنکروترون‌های امروزی، با محیطهایی که به جای متر با کیلومتر سنجیده می‌شود، بزرگترین ماشین‌هایی هستند که تاکنون ساخته شده‌اند. بنابراین طبیعی است سؤال شود آیا می‌توان به گرادیان‌های شتابی دست یافت که بسیار بزرگتر از مقدار فعلی m/MeV20 باشد و در نتیجه بتوان با اندازه و هزینه معقول، ماشین‌هایی با انرژی باز هم بیشتر ساخت.
در طرح هر شتابدهنده‌ای، شرط اصلی رسیدن به انرژی‌های بسیار زیاد، وجود یک میدان الکتریکی بسیار شدید طولی است که به مدت طولانی با ذرات برهم‌کنش کند. از آنجا که سرعت ذرات بسیار نسبیتی نزدیک سرعت نور (c) است، انرژیی که ذرات کسب می‌کنند در صورتی بیشینه می‌شود که میدان شتابدهنده نیز همراه ذره انتشار یابد. میدان‌های الکتریکی بسیار شدید را، که با سرعت‌های فاز نزدیک به c منتشر می‌شوند، می‌توان به کمک امواج بار فضایی در پلاسما ایجاد کرد. بیشینه میدان الکتریکی این موج پلاسمای نسبیتی تقریباً برابر جذر چگال الکترونی پلاسما در سانتی مترمکعب است. مثلاً، میدان الکتریکی طولی یک موج پلاسمای نسبیتی که چگالی زمینه‌اش ۳cm/1016 باشد می‌تواند به m/V1010 برسد. چنین امواجی را می‌توان یا با لیزر ایجاد کرد، مثلاً در شتاب‌دهنده موج ضربانی پلاسمایی و یا به وسیله یک بسته کوچک الکترون‌های نسبیتی، فرضاً در شتاب‌دهنده با میدان شیاری پلاسمایی، برانگیخت. در هر دو مورد پلاسما به عنوان یک کاواک تک – مدو کند- موج عمل می‌کند، که در آن طول موج شتاب‌دهنده نوعاً در حدود چند صد میکرون است در حالی که این طول موج در شتاب‌دهنده‌های خطی cm10 است. این حوزه تحقیق نشده فضایی پارامترها ممکن است مفتاح کوچک‌سازی احتمالی شتاب‌دهنده‌های ذرات باشد.
در شتابدهنده با موج ضربانی پلاسمایی، دو باریکه لیزر، که فرکانس‌هایشان اندکی با هم تفاوت دارد به حال تشدید در پلاسما می‌تپند؛ تفاوت فرکانس‌ها و اعداد موجشان متناظر با عدد موج و فرکانس موج پلاسماست. موج ضربان با مدولاسیون دامنه یک نیروی محرک متناوب به الکترون‌های پلاسما وارد می‌آورد و سبب دسته دسته شدن آنها می‌شود.
موج بارفضایی حاصل دارای سرعت فازی برابر با سرعت گروه امواج ضربان است. اگر فرکانس‌های لیزری بسیار بیشتر از فرکانس پلاسمایی باشد، سرعت گروه تقریباً برابر c خواهد بود. اکنون اگر الکترونی با سرعت نزدیک به این مقدار تزریق شود، به تله می‌افتد و مانند موج سواری که بر امواج اقیانوس، سوار شده است، به وسیله موج پلاسمایی شتاب می‌گیرد.
در شتابدهنده با میدان شیاری پلاسمایی از یک دسته الکترون پر – جریان کم ولتاژ استفاده می‌شود تا موج پلاسمایی برانگیخته شود. سرعت فاز این موج پلاسمایی (مانند شیاری که با عبور کشتی در آب ایجاد می‌شود) به سرعت دسته الکترون محرک وابسته است، که نزدیک به c است. سپس این موج دسته الکترون کم – چگالی بعدی را که به دنبال می‌آید شتاب می‌دهد و به انرژی و ولتاژ زیاد می‌رساند. بدین طریق پلاسما مانند یک مبدل عمل می‌کند، که ولتاژ را به بهای کم شدن جریان افزایش می‌دهد. تمهید اصلی برای آنکه نسبت تبدیل بزرگ باشد این است که از دسته الکترون محرکی استفاده شود که تغییرات چگالیش بدواً کند باشد و به یکباره قطع شود.
در هر دو مورد موج ضربان و میدان شیاری، حیله‌ای که برای اجتناب از ناپایداری‌هایی معمولی لیزری یا باریکه‌ای پلاسما به کار می‌رود، استفاده از تپ محرکی است که دوام آن فقط چند پیکو ثانیه باشد. برای شبیه سازی برانگیختگی موج پلاسما (ناشی از یک تپ محرک با سطح مقطع متناهی) و بهینه کردن میزان استخراج انرژی به وسیله باریکه شتاب دهنده، تعداد زیادی شبیه سازی‌های ذره‌ای دو بعدی انجام گرفته است. طبق پیش بینی نظری و تأیید شبیه سازی‌ها، بیشینه انرژیی که ذرات کسب می‌کنند محدود است به اینکه بالاخره یا ذرات از موج پیشی گیرند (از فاز خارج می‌شوند) و یا محرک از طریق دمش تحلیل رود.
آزمایش‌هایی در UCLA، آزمایشگاه رادرفورد (U.K)، ILE (ژاپن)، INRS (کانادا) و نقاط دیگر، در دست اجراست که منظور از آن‌ها تحقیق در برانگیختگی موج پلاسمایی نسبیتی به وسیله موج ضربان لیزری (به نحوی که قابل تکرار باشد) و نیز بررسی شتاب کنترل شده ذرات آزمونی تزریق شده است. اخیراً در آزمایشی در UCLA، موج پلاسمای نسبیتی، با ضربان خطوط μm6ر۹ و μm6ر۱۰ لیزر ۲CO، با شدت متوسط ۲cm/W1013×۲، در پلاسمایی به چگالی ۳cm/1017 برانگیخته شد. میدان الکتریکی موج پلاسمایی با استفاده از پراکندگی تامسون یک باریکه لیزر کاوشی، برابر با m/MeV103 به دست آمد که پیشرفت قابل ملاحظه‌ای نسبت به گرادیان کنونی شتاب‌دهنده هاست. سازوکار جدیدی کشف شده که موج پلاسمایی ناشی از صربان را در این حوزه از پارامترها اشباع می‌کند. موج پلاسمایی نسبیتی، در اثر جفت شدن با مدهای دیگر پلاسما که سرعت فاز کمتری دارند (از طریق تموج یونی ناشی از پراکندگی بریلوئن القایی باریکه‌های لیزر) در مقیاس زمانی چند نانو ثانیه اشباع می‌شود. آزمایشی در مقیاس بزرگتر در UCLA در دست اجراست که شتاب کنترل شده الکترون‌های تزریقی را به نمایش می‌گذارد. آزمایش‌هایی بر مبنای میدان شیاری در UCLA و ویسکانسین طرح ریزی شده است.
در پایان بد نیست که به بعضی کاربردهای دیگر این حوزه جدید در فیزیک پلاسما هم اشاره‌ای بشود. موج پلاسمای ضربانی را می‌توان به عنوان یک اندولاتور موج زیر میلی متری، برای تولید تابش قابل تنظیم، با طول موج کوتاه به کمک باریکه‌ای الکترونی با انرژی متوسط، به کار برد. میدان‌های الکتریکی شعاعی یک موج پلاسمایی نسبیتی با بعد عرضی تقریباً حدود یک طول موج، می‌توانند بسیار شدید باشند به علاوه ممکن است برای کانونی کردن ذرات پر انرژی در یک برخورد دهنده خطی مفید واقع شود. پلاسمای ضربانی می‌تواند سیستمی ایده‌آل برای مطالعه تکامل پلاسما از حالت دترمینیستی به حالت تلاطمی باشد.

 



لینک منبع

اشتراک گذاری مطلب

انتشار مطالب با ذکر منبع مجاز می باشد.