Europejskie konsorcjum EuPRAXIA chce zbudować praktyczny akcelerator plazmowy

[KopalniaWiedzy.pl 317]

Europejscy fizycy opracowali plan budowy nowego akceleratora cząstek wykorzystującego wzbudzone pole plazmowe. European Projekt Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications (EuPRAXIA) przewiduje budowę w jednym lub dwóch miejscach w Europie infrastruktury do pracy z plazmą o wysokich energiach. Jego celem jest m.in. pokazanie, że zarówno koszty jak i rozmiary takich instalacji mogą być znacznie niższe niż tych wykorzystujących standardowe technologie pracujace z częstotliwościami radiowymi.

Akceleratory plazmowe wykorzystują niezwykle wysoki gradient pola elektrycznego, który powstaje, gdy impuls lasera lub naładowane cząstki wędrują z olbrzymią prędkością przez plazmę. Gradient taki umożliwia przyspieszenie elektronów do olbrzymich energii na bardzo krótkich dystansach.

Eksperymentalne akceleratory plazmowe już istnieją. Takie urządzenie działa m.in. w Lawrence Berkeley National Laboraory gdzie przyspiesza elektrony do 1 GeV na odcinku 3,3 cm, podczas gdy konwencjonalny SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) potrzebuje aż 64 metrów, by uzyskać tę samą energię. Tak wielka różnica możliwa jest dzięki temu, że w akceleratorach plazmowych można uzyskać gradient nawet 100 GeVm^-1, gdy tymczasem w konwencjonalnych akceleratorach wynosi on zaledwie 0,1 GeVm^-1. Członkowie konsorcjum EuPRAXIA, w skład którego wchodzą naukowcy z 16 instytucji z 5 krajów, chcą udowodnić, że akceleratory plazmowe mogą przydać się w nauce i przemyśle do specyficznych zastosowań.

W październiku konsorcjum przygotowało raport, w którym czytamy, że celem projektu jest zbudowanie akceleratorów plazmowych, w których będą wykorzystywane zarówno lasery (LWFA – laser wakefield acceleration), jak i fala elektronowa (PWFA – plasma wakefield acceleration). W akceleratorach mają powstawać strumienie elektronów o energiach od 1 do 5 GeV, które mają być używane w takich zastosowaniach jak obrazowanie medyczne, generowanie pozytonów, testowanie materiałów oraz – przede wszystkim – do zasilana laserów na swobodnych elektronach (FEL).

Obecnie używane FEL wykorzystują miedziane lub nadprzewodzące wnęki do przyspieszania elektronów do wysokich energii oraz magnesy, dzięki którym generowane są wyjątkowo jasne impulsy promieniowania rentgenowskiego. Jednak takie urządzenia, z których najważniejsze znajdują się w Europie, USA i Azji, mają długość setek i tysięcy metrów. Tymczasem dzięki wysokiemu gradientowi akceleratorów plazmowych jest nadzieja, że cały FEL mógłby zmieścić się np. w szpitalnej piwnicy.
Fizyk Carsten Welsch z University of Liverpool mówi, że do obecnie istniejących laserów na swobodnych elektronach ustawiają się długie kolejki naukowców zainteresowanych ich wykorzystywaniem. Jeśli będziemy w stanie stworzyć infrastrukturę, która zapewnia impulsy laserowe o podobnej jakości, ale całość jest mniejsza, sporo na tym zyskamy.

W projekcie konsorcjum znajdziemy kilka różnych scenariuszy budowy i wykorzystania EuPRAXIA. Najbardziej kosztowna opcja przewiduje wydatkowanie 320 milionów euro na budowę w dwóch różnych miejscach akceleratorów z których jeden będzie urządzeniem typu LWFA, a drugi typu PWFA. W kwocie tej zawarte są też koszty intensywnie prowadzonych projektów badawczo-rozwojowych. Jednak koszt urządzenia może być znacznie niższy. Jeśli akcelerator powstałby w jednym miejscu, to zbudowanie urządzenia typu PWFA kosztowałoby 68 milionów euro, a jeśli zdecydowano by się na LWFA koszt zamknąłby się w kwocie 75 milionów euro.

Początkowo konsorcjum chciało zaprojektować akceleratory, które można by zbudować w dowolnym miejscu. Jednak ostatecznie zdecydowano się na konkretne lokalizacje i dostosowane do nich projekty. EuPRAXIA proponuje zatem, by akcelerator wykorzystujący elektrony (PWFA) zbudować w znajdującym się na przedmieściach Rzymu Laboratori Nazionali di Frascati. Z kolei dla akceleratora LWFA wybrano cztery możliwe lokalizacje, Laboratori Nazionali do Frascati, włoski Narodowy Instytut Optyki w Pizie, ELI Beamlines Laser w pobliżu Pragi oraz Rutheford Appleton Laboratory w brytyjskim Oxfordshire.

Jeśli projekt EuPRAXIA dostanie zielone światło, to akcelerator powinien zacząć działać za około 10 lat. Biorąc pod uwagę czas potrzebny na skonstruowanie odpowiednich urządzeń i budowę infrastruktury, ostateczna decyzja co do wyboru miejsca budowy powinna zapaść nie później niż w ciągu 5, a optymalnie w ciągu 2-3 lat. Wiadomo też, że takie urządzenie, przynajmniej na początku swojej działalności, nie służyłoby badaniom naukowym, gdyż osiągane w nim energie są zbyt małe, by można było oczekiwać dokonania znaczących odkryć.

Obecnie eksperymentalne akceleratory plazmowe posiadają instytucje naukowe w Niemczech (4), Wielkiej Brytanii (3), Francji (2), Szwecji (1), Rosji (1), Kanadzie (1), USA (8).

« powrót do artykułu