aceleración del plasma

Un plasma es un fluido de partículas con carga positiva y negativa, generalmente creado mediante el calentamiento o la fotoionización (directa, por efecto túnel, multifotónica o por supresión de barrera) de un gas diluido. En condiciones normales, el plasma es macroscópicamente neutro (o cuasineutral), una mezcla equitativa de electrones e iones en equilibrio. Sin embargo, si se aplica un campo eléctrico o electromagnético externo suficiente , los electrones del plasma, que son mucho más ligeros que los iones de fondo (en un factor de 1836), se separan espacialmente, creando un desequilibrio de carga en la región perturbada. Una partícula inyectada en dicho plasma es acelerada por el campo de separación de carga, pero dado que la magnitud de esta separación es generalmente similar a la del campo externo, no se obtiene ninguna ventaja en comparación con un sistema convencional que simplemente aplica el campo directamente a la partícula. Sin embargo, el medio plasmático es el transformador más eficiente conocido del campo transversal de una onda electromagnética en campos longitudinales de una onda de plasma. En la tecnología de aceleradores actual, se utilizan diversos materiales para convertir campos que se propagan transversalmente en campos longitudinales que pueden impulsar las partículas. Este proceso se logra mediante dos enfoques: estructuras de onda estacionaria (como cavidades resonantes) o estructuras de onda viajera (como guías de onda con carga de disco). Los materiales que interactúan con campos cada vez más intensos terminan destruyéndose por ionización y ruptura dieléctrica. La aceleración de plasma permite generar, mantener y aprovechar los campos más potentes jamás producidos en un laboratorio.

El gradiente de aceleración producido por una estela de plasma es del orden del campo de ruptura de onda, que es

${\displaystyle E_{0}={\sqrt {\frac {m_{e}n_{e}c^{2}}{\varepsilon _{0}}}}.}$

En esta ecuación,${\displaystyle E_{0}}$es el campo eléctrico ,${\displaystyle c}$es la velocidad de la luz en el vacío,${\displaystyle m_{e}}$es la masa del electrón ,${\displaystyle n_{e}}$es la densidad electrónica del plasma (en partículas por unidad de volumen), y${\displaystyle \varepsilon _{0}}$es la permitividad del espacio libre .

Lo que hace útil al sistema es la posibilidad de introducir ondas de alta separación de carga que se propagan a través del plasma, de forma similar al concepto de onda viajera en los aceleradores convencionales. De este modo, el acelerador sincroniza un haz de partículas con una onda, y esta onda las acelera a velocidades más altas, conservando las propiedades del haz. Las estelas de plasma pueden excitarse mediante pulsos láser o haces de electrones con la forma adecuada. Los electrones del plasma son expulsados ​​del centro de la estela por la fuerza ponderomotriz o los campos electrostáticos de los campos de excitación (electrones o láser). Los iones del plasma son demasiado masivos para moverse significativamente y, en la práctica, permanecen estacionarios en las escalas de tiempo de respuesta de los electrones del plasma. A medida que los campos de excitación atraviesan el plasma, los electrones del plasma experimentan una fuerza de atracción masiva hacia el centro de la estela debido a la cámara, burbuja o columna de iones positivos del plasma que han permanecido allí, tal como estaban originalmente en el plasma no excitado. Esto forma una estela completa con un campo eléctrico longitudinal (acelerador) y transversal (de enfoque) extremadamente alto. La carga positiva de los iones en la región de separación de carga crea un enorme gradiente entre la parte posterior de la estela (con muchos electrones) y la parte central (principalmente iones). Los electrones entre estas dos áreas se aceleran (mediante un mecanismo de autoinyección). En los esquemas de inyección de haces externos, los electrones se inyectan estratégicamente para que lleguen a la región evacuada durante la máxima excursión o expulsión de los electrones del plasma.

Se puede crear una estela generada por un haz enviando un haz de protones o electrones relativistas a un plasma o gas adecuado. ^{[ 14 ]} En algunos casos, el gas puede ionizarse mediante el haz de electrones, de modo que este crea tanto el plasma como la estela. Esto requiere un haz de electrones con una carga relativamente alta y, por lo tanto, campos intensos. Los campos intensos del haz de electrones empujan entonces a los electrones del plasma hacia afuera del centro, creando la estela.

De forma similar a una estela generada por un haz, se puede utilizar un pulso láser para excitar dicha estela. A medida que el pulso viaja a través del plasma, el campo eléctrico de la luz separa los electrones y los nucleones del mismo modo que lo haría un campo externo.

Si los campos son lo suficientemente fuertes, todos los electrones ionizados del plasma pueden ser eliminados del centro de la estela: esto se conoce como el "régimen de explosión". Aunque las partículas no se mueven rápidamente, macroscópicamente parece que una "burbuja" de carga se desplaza a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz. La burbuja es la región libre de electrones, que por lo tanto está cargada positivamente, seguida de la región donde los electrones regresan al centro y, por consiguiente, están cargados negativamente. Esto da lugar a una pequeña área de gradiente de potencial muy fuerte que sigue al pulso láser.

En el régimen lineal, los electrones del plasma no se eliminan por completo del centro de la estela. En este caso, se puede aplicar la ecuación de onda de plasma lineal. Sin embargo, la estela se asemeja al régimen de explosión, y la física de la aceleración es la misma.

Es este "campo de estela" el que se utiliza para la aceleración de partículas. Una partícula inyectada en el plasma cerca de la zona de alta densidad experimentará una aceleración hacia (o alejándose de) ella, una aceleración que continúa a medida que el campo de estela se desplaza a través de la columna, hasta que la partícula finalmente alcanza la velocidad del campo de estela. Se pueden alcanzar energías aún mayores inyectando la partícula para que se desplace transversalmente a la superficie del campo de estela, de forma similar a como un surfista puede alcanzar velocidades mucho mayores que la ola que surfea al desplazarse transversalmente a ella. Los aceleradores diseñados para aprovechar esta técnica se conocen coloquialmente como "surfatrones".

La aceleración por estela electrónica se puede clasificar en varios tipos según cómo se forma la onda de plasma de electrones:

• Aceleración por estela de plasma (PWFA): La onda de plasma de electrones se forma a partir de un haz de electrones o protones.
• Aceleración por estela láser (LWFA): Se introduce un pulso láser para formar una onda de plasma de electrones.
• Aceleración por ondas de batido láser (LBWA): La onda de plasma de electrones surge a partir de la generación de dos pulsos láser de diferente frecuencia. El surfatrón es una mejora de esta técnica. ^{[ 15 ]}
• Aceleración de estela láser automodulada (SMLWFA): La formación de una onda de plasma electrónico se logra mediante un pulso láser modulado por inestabilidad de dispersión Raman hacia adelante estimulada .

La aceleración de iones basada en láser y blanco sólido se ha convertido en un área activa de investigación, especialmente desde el descubrimiento de la aceleración de vaina normal del blanco (TNSA). ^{[ 17 ]} Este nuevo esquema ofrece mejoras adicionales en hadronterapia , ^{[ 18 ]} ignición rápida de fusión ^{[ 19 ]} y fuentes para investigación fundamental. ^{[ 20 ]} No obstante, las energías máximas alcanzadas hasta ahora con este esquema son del orden de 100 MeV. ^{[ 21 ]}

El principal esquema de aceleración láser-sólido es la aceleración de vaina normal al objetivo, o TNSA, como se la suele denominar. Al igual que otras técnicas de aceleración basadas en láser, la TNSA no acelera directamente los iones. En cambio, es un proceso de múltiples pasos que consta de varias etapas, cada una con su propia dificultad para modelarla matemáticamente. Por esta razón, hasta el momento no existe un modelo teórico perfecto capaz de producir predicciones cuantitativas para el mecanismo TNSA. ^{[ 20 ]} Generalmente se emplean simulaciones de partículas en celda para lograr predicciones de manera eficiente.

El esquema emplea un blanco sólido que interactúa primero con el prepulso láser, lo que ioniza el blanco convirtiéndolo en plasma y causando una preexpansión del frente del blanco. Esto produce una región de plasma de baja densidad en el frente del blanco, el llamado preplasma. Una vez que el pulso láser principal llega al frente del blanco, se propaga a través de esta región de baja densidad y se refleja en la superficie frontal del blanco, propagándose de vuelta a través del preplasma. A lo largo de este proceso, el láser ha calentado los electrones en la región de baja densidad y los ha acelerado mediante calentamiento estocástico. ^{[ 22 ]} Este proceso de calentamiento es increíblemente importante, ya que producir poblaciones de electrones de alta temperatura es clave para los siguientes pasos del proceso. La importancia del preplasma en el proceso de calentamiento de electrones se ha estudiado recientemente tanto teórica como experimentalmente, mostrando cómo los preplasmas más largos conducen a un calentamiento de electrones más intenso y una mejora en TNSA. ^{[ 23 ]} Los electrones calientes se propagan a través del blanco sólido y salen de él por el extremo posterior. Al hacerlo, los electrones producen un campo eléctrico increíblemente fuerte, del orden de TV/m, ^{[ 20 ]} mediante la separación de cargas. Este campo eléctrico, también conocido como campo de vaina debido a su semejanza con la forma de la vaina de una espada, es responsable de la aceleración de los iones. En la cara posterior del blanco hay una pequeña capa de contaminantes (generalmente hidrocarburos ligeros y vapor de agua ). Estos contaminantes se ionizan por el fuerte campo eléctrico generado por los electrones calientes y luego se aceleran. Esto da lugar a un haz de iones energéticos y completa el proceso de aceleración.

El frente iónico rápido y puntiagudo del plasma en expansión es responsable de un proceso de ruptura de ondas iónicas que tiene lugar en la fase inicial de la evolución y se describe mediante la ecuación de Sack-Schamel. ^{[ 24 ]}