Консорциум нескольких
физических институтов со всего мира представил детальный план строения
установки и целей EuPRAXIA — источника высокоэнергетических электронов и
рентгеновского излучения на основе кильватерного ускорения. Ключевыми особенностями
EuPRAXIA будут использование инновационных методов ускорения частиц и
ориентации на прикладные задачи, в которых установка будет занимать нишу
рентгеновских лазеров на свободных электронах, говорится в документе.
EuPRAXIA (European Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications — Европейский плазменный исследовательский ускоритель
с выдающимися приложениями) — это международный проект строительства нового ускорительного
комплекса с фокусом на прикладные задачи. Установка будет генерировать
рентгеновские лучи путем синхротронного излучения высокоэнергетических электронов при их движении в магнитном поле. В этом смысле проект похож на
существующие сегодня лазеры на свободных электронах, но важным отличием
является способ ускорения частиц: в большинстве существующих сегодня установок
используются радиочастотные полости, а в EuPRAXIA предполагается применить кильватерное ускорение.
Кильватерное ускорение
заряженных частиц возникает, если специальным воздействием (драйвером) специфически
возмутить плазму. При нужных параметрах драйвера легкие электроны успевают
сдвинуться, а тяжелые ионы остаются практически на тех же местах, в результате локально
создавая огромные градиенты электрического поля, недоступные для получения
иными способами. В таком случае можно вслед за драйвером согласованно пустить
пучок электронов, которые будут эффективно набирать энергию. В качестве драйвера
может выступать сгусток заряженных частиц (протонов или электронов), а также
импульс лазерного излучения.
На данный момент
кильватерное ускорение используется только в экспериментальных установках. В
них удалось достичь градиентов накопления энергии на уровне 100
гигаэлектронвольт на метр, что примерно в тысячу раз больше, чем у
радиочастотных полостей, который применяются, в том числе, в Большом адронном
коллайдере. Однако крупных установок ни научного, ни прикладного плана пока не
существует.
Сводный отчет проекта EuPRAXIA был завершен в октябре, но до сих пор не был официально анонсирован
участниками коллаборации из 30 институтов, в которую также входя два российских
— Институт прикладной физики РАН и Объединенный институт высоких температур
РАН. В документе говорится, что ученые в качестве драйверов кильватерного ускорителя рассматривают как лазерные импульсы, так и электроны.
На выходе будут
получаться пучки электронов с энергией от одного до пяти гигаэлектронвольт, которые можно
использовать для медицинской диагностики, генерации позитронов и изучения
материалов. Однако основным применением будет генерация рентгеновского излучения
по схеме лазеров на свободных электронах, но размер установки будет в разы
меньше: ученые оценивают минимум шестикратную экономию суммарной площади.
Проект не фиксирует
окончательный вариант EuPRAXIA, а предоставляет анализ нескольких возможных
вариантов. Ускоритель минимального масштаба, который будет использовать только
один вид драйвера, обойдется примерно в 70 миллионов евро. Наиболее дорогим
оказывается проект строительства в разных местах двух отдельных установок, специализирующихся
на разных типах драйверов. В таком случае физики оценивают стоимость на уровне
320 миллионов евро. Также нет определенности в месте строительства. Основным
вариантом называется итальянский Национальный институт ядерной физики недалеко
от Рима, но также рассматривается Национальный оптический институт в Пизе,
лазерный центр под Прагой в Чехии и Лаборатория Резерфорда — Эплтона в
Великобритании.
Ранее в этом году был установлен новый рекорд лазерно-плазменного ускорения электронов — электроны приобрели энергию свыше восьми гигаэлектронвольт на дистанции всего в 20 сантиметров. Также в этом году удалось добиться рекордного ускорения электронов терагерцовым импульсом.
