Accelerazione al plasma: differenze tra le versioni

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Per '''accelerazione al plasma''' si intende un insieme di tecniche per accelerare [[particella carica|particelle cariche]], come [[elettrone|elettroni]], [[ione|ioni]] o [[positrone|positroni]], mediante alti [[campo elettrico|campi elettrici]] creati in un [[Plasma (fisica)|plasma]]. Tali tecniche potrebbero contribuire a realizzare una tecnologia per costruire acceleratori di particelle di dimensioni ridotte rispetto agli acceleratori convenzionali, che fanno uso di campi elettrici eccitati in cavità metalliche per accelerare particelle cariche. Le applicazioni di tale tecnologia innovativa di accelerazione di particelle sarebbero numerose, spaziando dalla medicina (sorgenti di radiazione di betatrone o [[laser a elettroni liberi]] per la diagnostica o per la [[radioterapia]], sorgenti di adroni per l'[[adroterapia]]) alla fisica delle alte energie (collisori più compatti). E che dire della fusione nucleare e produzione di energia elettrica, se non propulsione nel vuoto??? Meditateci su

== Descrizione ==

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:<math>E_{cold,wb}[V/m] = \frac{m_e \omega_p c}{e}\approx 96 \sqrt{n_0 [cm^{-3}]}.</math>,

dove <math>c</math> è la [[velocità della luce]] nel vuoto, <math>m_e</math> è la massa dell'elettrone, <math>\omega_p</math> è la [[frequenza di plasma]], che scala come la radice della densità iniziale del plasma. Con una densità iniziale di <math>n_0=10^{18}cm^{-3}</math> si otterrebbero dei massimi gradienti pari a circa <math>100 GV/m </math>, di almeno due ordini di grandezza maggiori di quelli ottenibili con le tecnologie di accelerazione convenzionale, limitate dal limite di breakdown delle cavità metalliche. Tale stima è abbastanza pessimistica nei regimi di interesse per l'accelerazione al plasma. Tenendo conto delle nonlinearitànon linearità nei regimi relativistici delle oscillazioni di plasma in queste tecniche di accelerazione, mantenendo l'approssimazione di plasma freddo, si ottiene un il limite di rottura dell'onda relativistico<ref name="J. Noble 1983"/><ref name="A. Macchi 2013"/>:

:<math>E_{cold,rel,wb}[V/m] = \sqrt{2(\gamma_g-1)}\frac{m_e \omega_p c}{e}.</math>,

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===Schemi Laser-driven===

Nell'articolo in cui venne proposta l'idea dell'accelerazione al plasma T.Tajima e J. M. Dawson<ref name="M. Dawson 1979"/> discussero i due principali schemi di accelerazione al plasma che impiegano impulsi laser intensi <math>(\gtrsim 10^{17} W/cm^2 )</math>per eccitare le onde di plasma. Oggi i due schemi vengono chiamati<ref name="E. Esarey, C. B 2009">E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans. 2009. Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators. Rev. Mod. Phys. 81, 1229</ref>

*''Laser Wake Field Acceleration'' '''(LWFA)''': il driver delle onde di plasma è costituito da un singolo impulso laser, preferibilmente di lunghezza <math>L\approx\lambda_p</math>, dove <math>\lambda_p=2\pi/\omega_p</math> è la [[lunghezza d'onda]] di plasma.

*''Plasma Beat-Wave Acceleration'' '''(LBWA)''': sfrutta due lunghi impulsi laser di frequenze diverse, il cui battimento genera una componente alla frequenza di plasma <math>\omega_p</math>, eccitando risonantemente l'onda di plasma desiderata. Tale schema fu proposto da T. Tajima e Dawson come alternativa alla LWFA, in quanto la tecnologia che permise di creare impulsi laser intensi e ultra-corti non era ancora disponibile nel 1979.

Gli schemi di accelerazione al plasma laser-driven soffrono di alcune difficoltà intrinseche all'uso contemporaneo di laser e particelle relativistiche nel meccanismo di accelerazione. L'impulso laser tende a diffrangersi nel plasma, e la sua velocità di gruppo sarà sempre maggiore di quella delle particelle accelerate che lo seguono, provocando una perdita da parte di queste ultime della giusta sincronizzazione con la fase accelerante dell'onda di plasma (fenomeno chiamato dephasing). Queste difficoltà limitano la lunghezza efficace di accelerazione e quindi i massimi guadagni di energia realizzabili con schemi laser-driven.