Опубликован проект европейского кильватерного ускорителя частиц

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 высокочастотных резонаторов, которые 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.

Тимур Кешелава