AWAKE

AWAKE
기타 용도는 깨우기(동음이의)를 참조하십시오.
맥스플랑크물리학연구소가 개발한 AWEK의 10m 길이의 플라스마 세포
1미터 폭의 섬광기 화면(흰색) 전자 빔은 전자가 가속되었음을 확인하는 데 사용되는 섬광기 스크린(발광 광선)을 통과하도록 리디렉션할 수 있다.[1]
전자 소스 및 빔라인 설치
플라스마 웨이크필드에 주입할 전자 뭉치를 생성하는 RF 광투과주사 건 절단면

CERN의 AWAK(Advanced WAKEfield 실험) 설비는 세계 최초로 양성자 무리를 드라이버로 사용해 웨이크필드 플라즈마 가속을 조사하는 원칙 증명 실험이다. 몇 GV/m의 높은 가속도 구배를 만들어 단거리(10m)에 걸쳐 15-20 MeV에서 여러 GeV로 저에너지 증인 다발을 가속하는 것을 목표로 한다. CERN의 LHC와 같이 현재 사용되고 있는 입자 가속기는 가속을 위해 표준 또는 초전도성 RF-케이블을 사용하지만, 100 MV/m의 순서로 가속도 경사로 제한된다.

원형가속기는 싱크로트론 방사선의 에너지 손실이 크기 때문에 높은 에너지로 전자를 운반하는데 효율적이지 않다. 선형 가속기는 이러한 문제가 없으므로 높은 에너지에서 전자를 가속하고 운반하는 데 더 적합하다.[2][1]

AWEK의 높은 가속도 구배는 특히 선형 전자 가속기에 대해 입자 가속기 기술의 큰 단계를 나타내는 짧고 덜 비싼 고에너지 가속기의 신세대 건설을 가능하게 할 것이다.

양성자 뭉치 구동 플라즈마 웨이크필드 가속

양성자 묶음(빨간 점)과 플라즈마 웨이크필드(파란색 파동)의 상호작용 시뮬레이션

플라즈마는 양전하 이온과 음전하 자유전자로 구성되며, 거시적으로 중립을 유지한다. 강한 전기장을 적용하면 이온과 전자가 공간적으로 분리될 수 있다. 따라서 국소 전기장이 생성되므로 그러한 플라즈마에 들어가는 전하 입자가 가속될 수 있다.[3] 운전자인 양전하 양성자 무리가 플라즈마를 관통하면 음전하된 플라즈마 전자를 끌어당겨 오버슈팅하고 진동하기 시작해 웨이크필드를 만든다. 웨이크필드와 양성자 뒤에 주입된 전하 입자 사이의 상호작용은 서퍼와 파동 사이의 것과 같은 것으로 해석할 수 있다. 후자는 그 에너지를 가속할 서퍼에게 전달할 것이다. 웨이크 필드는 감속 및 가속 단계와 집중 및 탈집착 단계로 구성된다. 웨이크필드의 일부(1/4분의 1)만이 집중되어 가속되기 때문에 웨이크필드에서 전자 뭉치의 주입 위치는 따라서 결정적이며, 이는 전자의 트래핑과 가속을 위해 필요하기 때문이다. AWAK는 양성자 무리를 드라이버로 이용한 최초의 플라스마 웨이크필드 실험이다. 양자는 예를 들어 CERN SPS를 형성하는 양자로서 대량의 에너지(약 400 GeV)를 운반할 수 있다. 따라서 에너지 고갈로 인해 레이저 펄스나 전자 뭉치보다 훨씬 더 긴 거리를 플라즈마에서 웨이크필드를 생산할 수 있다.[4]

플라즈마는 플라즈마 주파수 Ωp2=4nee2/㎥의e 주파수를 가진 오실레이터의 합주체로 볼 수 있으며, 플라즈마 전자 밀도가e n이고, 전자 질량이 m이고e, 기본 전하가 e이다.[5] 이러한 오실레이터를 공명하게 흥분시키려면 운전자는 플라즈마 주파수 Ω에p 가까운 푸리에 성분을 포함해야 한다.[5] 더욱이 구동 번들의 길이는 플라즈마 파장 λ에p 가까워야 한다(=2πc/Ωp with c는 빛의 속도임). AWAK와 같은 밀도(ne ≈ 1•1015 cm−3)의 경우 이는 약 λp 1 mm에 해당한다. 그러나 현재 사용 가능한 양성자 번들의 길이는 이 값을 상당히 초과한다. AWAK 이익은 플라즈마를 통해 이동하는 양성자 무리들의 씨드 자가 변조(SSM)를 형성하며, 긴 양성자 무리를 웨이크필드를 공명하게 구동시킬 수 있는 플라즈마 파장의 길이로 반바지형 마이크로 분지로 나눈다.[4][5]

AWAK 시설

AWAK 실험은 CERN, 구 CERN Neutrinos to Gran Sasso(CNGS) 시설에서 설치된다. 이 부지는 지하시설로 선정되었으며, 방사능에 큰 문제가 없는 고에너지 양성자 빔을 사용하도록 특별히 설계되었다.[2]

AWAK를 위한 양성자 번들은 CERN SPS에서 추출되어 최대 800미터 빔 라인을 통해 AWAK의 10미터 길이의 증기 공급원으로 운송된다. 전자 목격자 번들은 양성자 번들 뒤에 주입된다.[4] 주입된 전자의 가속도를 감지하기 위해 증기 뒤에 쌍극자석을 설치하여 그 경로를 구부린다. 전자의 에너지가 클수록 경로의 곡률도 작아진다. 그러면 섬광 스크린이 가속 전자를 감지한다.[1]

증기원은 Ti에 의해 이온화되는 루비듐(Rb) 증기를 포함한다.사파이어 레이저. 증기원은 오일 욕조에 둘러싸여 있다. 기름의 온도를 설정함으로써 Rb 증기 밀도를 설정하고 증기원을 따라 균일하게 유지할 수 있다.

AWAK는 레이저 펄스를 사용하여 Rb 증기를 이온화한다. 양성자 묶음 내에서 레이저 펄스를 공동선형으로 전파함으로써 빔/플라스마 상호작용의 하드 에지는 양성자 묶음의 자기변조(self-modulation)를 씨앗으로 하여 10m 길이의 플라즈마(plasma)에 걸쳐 성장을 강제한다. 또한 웨이크필드 시작을 위한 위상 참조를 만들 수 있는데, 이는 트라우마를 위해 적절한 위상에 목격자 뭉치를 주입하는 데 필요하다.퍼핑과 가속 전자는 레이저를 RF-건 광음극에 보내 생성된다.[6]

타임라인

1차 주행은 2016년부터 2018년까지 계속되었다. 10m 길이의 증기원은 2016년 2월 11일 설치됐으며, 2016년 6월 16일 빔라인과 빈 증기원을 통해 첫 양성자 빔이 전송됐다. 플라즈마 내부에 양성자 뭉치가 있는 첫 데이터는 2016년 12월 확보됐다.[4][1] 2018년 5월 26일, AWAK는 처음으로 전자빔을 가속했다. 빔은 10m 거리에서 19 MeV에서 2 GeV로 가속되었다.[7]

2021년부터 2024년까지 2차 주행이 계획되어 있다. 가속도 구배가 증가하고 에밋턴스가 줄어들 것으로 예상된다. 전자 에너지를 10 GeV까지 늘릴 계획이다. 이 단계 이후 목표는 에너지를 최소 50 GeV로 증가시키고 첫 번째 적용을 위한 빔을 제공하는 것이다.[8]

참조

  1. ^ a b c d Raynova, I., ed. (2017). AWAKE: Closer to a breakthrough acceleration technology (Report). Geneva, Switzerland.open access
  2. ^ a b Caldwell, A.; Gschwendtner, E.; Lotov, K.; Muggli, P.; Wing, M., eds. (2013). AWAKE Design Report: A Proton-Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment at CERN (Report). Geneva, Switzerland. CERN-SPSC-2013-013 ; SPSC-TDR-003.open access
  3. ^ Joshi, C.; Mori, W. B.; Katsouleas, T.; Dawson, J. M.; Kindel, J. M.; Forslund, D. W. (1984). "Ultrahigh gradient particle acceleration by intense laser-driven plasma density waves". Nature. 311 (5986): 525–529. Bibcode:1984Natur.311..525J. doi:10.1038/311525a0. ISSN 0028-0836.
  4. ^ a b c d Pandolfi, S., ed. (2016). Awakening acceleration: AWAKE's plasma cell arrives (Report). Geneva, Switzerland.open access
  5. ^ a b c Kumar, Naveen; Pukhov, Alexander; Lotov, Konstantin (2010). "Self-Modulation Instability of a Long Proton Bunch in Plasmas". Physical Review Letters. 104 (25): 255003. arXiv:1003.5816. Bibcode:2010PhRvL.104y5003K. doi:10.1103/PhysRevLett.104.255003. PMID 20867389.
  6. ^ Muggli, P., ed. (2016). Progress toward an experiment at AWAKE (Report). doi:10.18429/JACoW-NAPAC2016-WEPOA02.open access
  7. ^ Adli, E.; et al. (AWAKE collaboration) (2018). "Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch". Nature. 561 (7723): 363–367. arXiv:1808.09759. Bibcode:2018Natur.561..363A. doi:10.1038/s41586-018-0485-4. ISSN 0028-0836. PMC 6786972. PMID 30188496.open access
  8. ^ Anthony Hartin: AWAK 가속도의 입자물리학 응용, EPS-HEP2019

외부 링크