Elektrony jsou pro výzkumné i praktické účely většinou urychlovány buď na kruhových drahách v cyklotronu nebo jeho vylepšených variantách (například v synchrotronu). K největším urychlovačům tohoto typu patří americký Tevatron s obvodem 6,3 km. Další možností jsou lineární urychlovače s proměnným elektrickým polem na radiových frekvencích. Typické urychlovací pole těchto zařízení nemůže výrazně přesáhnout 100 MV/m. Na konci 70. let navrhli T. Tajima a D. Dawson zcela nový typ urychlovače, ve kterém by elektrony byly urychleny na plazmové vlně podobně jako surfař na vlně v oceánu. Tato zajímavá myšlenka čekala na praktickou realizaci více jak čtvrt století. Dnes se zdá, že nic nestojí v cestě urychlovat elektrony v urychlovači nové generace přímo na pracovním stole.
|
Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Plazmová frekvence elektronů – charakteristická frekvence oscilací a vln v plazmatu,která souvisí s pohyby elektronů na pozadí iontů. Vratnou silou je Coulombova elektrická síla vznikající vychýlením souboru elektronů oproti souboru iontů. Tato frekvence závisí především na koncentraci elektronů, ωp=(nee2/meε0)1/2. Pod touto frekvencí se nemohou šířit řádné elektromagnetické vlny. Při nižších frekvencích totiž energii vlny přebírají oscilace elektronů. Měřením plazmové frekvence lze určit koncentraci plazmatu. |
| Plazmové vlny |
V plazmatu je možné různými rozruchy vybudit velké množství vln. Na nízkých frekvencích jde o celý komplex vln spojených s periodickými pohyby iontů. Jde o analogii zvukových vln, které však nyní reagují na magnetická pole a v jejich přítomnosti jsou silně anizotropní. Naopak na vysokých frekvencích jsou generované vlny spojené s pohybem elektronů, které se chovají jako tekutina. Ta se různými podněty může vychýlit vzhledem k iontům, které se při vysokých frekvencích díky své velké hmotnosti téměř nepohybují. Mezi elektrony a ionty vznikne silné elektrické pole, které elektrony táhne zpět. Tato Coulombova vratná síla vede na vznik plazmových oscilací elektronů na typické frekvenci
ωP = (nee2/meε0)1/2,
kterou nazýváme plazmová frekvence. Pokud dojde k šíření rozruchu plazmatem, hovoříme o tzv. plazmové vlně. Ta splňuje jednoduchou disperzní relaci (vztah mezi frekvencí ω a vlnovým vektorem k):
ω2 = ωP2 + c2k2.
Z této relace je vidět, že frekvence vln musí být vyšší než plazmová. Při nižších frekvencích se elektrony rozkmitají s velkou amplitudou a přebírají energii vlny, která je absorbována. Vzhledem k tomu, že plazmová frekvence závisí jen na koncentraci elektronů, využívá se tento vztah často při experimentálním určování koncentrace plazmatu. Experimentátor změří plazmovou frekvenci elektronů (například jako prahovou frekvenci pro průchod elektromagnetických vln) a dopočte ze vztahu pro plazmovou frekvenci koncentraci plazmatu. Důležitou veličinou souvisící s plazmovou vlnou je maximální možná hodnota vzniklého podélného elektrického pole:
Emax = cmeωP/e.
Pokud má elektron vhodnou rychlost a hybnost, může být tímto polem urychlován.
| Urychlovače LWFA |
Plazmová vlna může vzniknout při průchodu intenzivního laserového pulzu plynným prostředím. Pulz ionizuje plyn na plazma a s sebou strhává lehké elektrony. Za pulzem vzniká brázda zvlněné koncentrace elektronů a podélného elektrického pole – plazmová vlna. V angličtině se toto pole nazývá „wakefield“, což by snad šlo přeložit jako brázdové pole, případně pole v brázdě.
 |
| Wakefield – brázdové pole. Za laserovým pulzem vzniká při průchodu prostředím typické zvlněné podélné pole. Na obrázku je různou barvou znázorněna velikost pole. |
V roce 1979 napadlo T. Tajima a D. Dawsona, že by toto pole při vhodné hybnosti a energii mohlo urychlovat elektron, který by byl nesený na vlně elektrického pole podobně jako surfař na vodní vlně. Vlnou jsou ovšem zachyceny jen některé z elektronů a ty vytvoří shluky urychlených částic To je základní princip urychlovače LWFA (Laser Wake Field Accelerator). V praktických zařízeních se využívají lasery s krátkým pulsem (≤ 1 ps) a velkou intenzitou (≥1018 W/cm2). Vzniklé brázdové pole má typicky intenzitu 100 GV/m, což je o tři řády více než v konvenčních urychlovačích. Shluky elektronů o velikosti 109 elektronů (stovky pikocoulombů) mohou být urychleny na energie až 60 MeV. Jde ovšem jen o malý zlomek přítomných elektronů a parametry plazmatu a brázdového pole lze jen obtížně ovlivnit. To je hlavní nevýhodou dosud postavených zařízení, která měla spíše studijní charakter a nebylo je možné prakticky využít.
Situace se změnila po roce 2004, kdy byly navrženy urychlovače LWFA s více laserovými pulzy. Kromě základního pulzu, který generuje laserové plazma s brázdovým polem lze dvěma dalšími pomocnými pulzy vytvořit za pulzem stojatou vlnu (rázy). Podélná složka elektrického pole může předurychlit elektron, příčná složka může fokusovat shluk elektronů. Pomocnými pulzy můžeme ovlivňovat parametry plazmatu v brázdě za základním laserovým pulzem. Urychlování je v této konfiguraci dvoustupňové. Elektrony jsou nejprve urychleny v pomalé (Δω/2k0) rázové vlně generované pomocnými pulzy a teprve poté v rychlé (~c) brázdové vlně za hlavním pulzem. V současných systémech je brázdové pole až 270 GV/m a bylo dosaženo energií až 250 MeV na pouhých dvou milimetrech dráhy. Spektrum urychlených elektronů je monoenergetické.
Urychlovače LWFA vyvíjejí na UCB, UCLA, LLNL, na Coloradské univerzitě, v Imperial College v Anglii, v Laboratoire d'Optique Appliquée ve Francii nebo v Technische Universiteit Eindhoven v Holandsku. Numerické simulace se většinou provádějí pomocí PIC kódů (například XOOPIC, dvourozměrný relativistický kód Kalifornské univerzity). Některé simulace urychlování v brázdovém poli se dělají i v centru PALS v Praze. Urychlovače LWFA znamenají revoluci v možnostech urychlování nabitých částic. Hlavní výhodou jsou především malé rozměry urychlovačů tohoto typu, některé mohou být postaveny přímo na pracovním stole. Předurychlení pomocnými pulzy umožňuje ovlivňování parametrů urychlení, bez kterého nejsou možné praktické aplikace
 |
| Spektrum urychleného shluku elektronů. Shluk obsahuje 2×109 elektronů urychlených na energii (86±1.8) MeV, jde o zařízení v Lawrence Berkeley National Laboratory z roku 2004. Urychlený shluk elektronů se zkoumá pomocí magnetického spektrometru a dále je veden na fosforové stínítko a snímán CCD kamerou. Zdroj: Nature, 2004. |
Cyklotron – Cyklotron slouží k urychlování nabitých částic, které jsou vedeny na kruhové dráze pomocí magnetického pole. Vlastní urychlování probíhá vysokofrekenčním elektrickým polem v mezeře mezi elektrodami (duanty). Opakovaným průchodem dochází k urychlování. Prvního předchůdce cyklotronu postavil roku 1929 až 1931 americký fyzik Ernest Lawrence z University of California.
Synchrotron – cyklický urychlovač nabitých částic s vhodně proměnným magnetickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, který pracuje jen s konstantním polem.
Tevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Jde o největší urychlovač tohoto typu na světě, Protony a antiprotony je schopen v prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Tevatron byl dostavěn v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999.
