플라스마 가속

3. 개념

플라스마 가속에서 웨이크필드 가속은 플라스마 내에서 발생하는 전하 분리 현상을 이용하여 입자를 가속하는 방식이다. 플라스마는 양전하와 음전하 입자로 구성된 유체로, 일반적으로 희석된 가스를 가열하거나 광이온화하여 생성된다. 정상적인 조건에서 플라스마는 중성 또는 준중성 상태를 유지하지만, 강한 외부 전기장이나 전자기장이 가해지면 플라스마 전자가 이온으로부터 분리되어 전하 불균형이 발생한다.

플라스마 내에 주입된 입자는 이러한 전하 분리장에 의해 가속된다. 플라스마는 전자기파의 횡파를 플라스마파의 종파로 변환하는 효율적인 매질 역할을 한다. 기존 가속기에서는 강한 횡파를 종파로 변환하기 위해 특수 물질을 사용하지만, 플라스마 가속은 플라스마 자체를 이용하여 이 과정을 수행하므로 더 높은 가속도를 얻을 수 있다.

• '''플라스마 웨이크필드 가속''' (PWFA): 전자 또는 양성자 빔으로 전자 플라스마파를 형성한다.
• '''레이저 웨이크필드 가속''' (LWFA): 레이저 펄스로 전자 플라스마파를 형성한다.
• '''레이저 비트파 가속''' (LBWA): 두 레이저 펄스의 다른 주파수 생성을 기반으로 전자 플라스마파를 발생시킨다. "서파트론"은 이 기술의 개선된 버전이다.^[15]
• '''자기 변조 레이저 웨이크필드 가속''' (SMLWFA): 유도 라만 전방 산란 불안정성에 의해 변조된 레이저 펄스로 전자 플라스마파를 형성한다.

3. 1. 웨이크필드 가속 (Wakefield Acceleration)

• '''플라스마 웨이크필드 가속''' (PWFA): 전자 또는 양성자 빔으로 전자 플라스마파를 형성한다.
• '''레이저 웨이크필드 가속''' (LWFA): 레이저 펄스로 전자 플라스마파를 형성한다.
• '''레이저 비트파 가속''' (LBWA): 두 레이저 펄스의 다른 주파수 생성을 기반으로 전자 플라스마파를 발생시킨다. "서파트론"은 이 기술의 개선된 버전이다.^[15]
• '''자기 변조 레이저 웨이크필드 가속''' (SMLWFA): 유도 라만 전방 산란 불안정성에 의해 변조된 레이저 펄스로 전자 플라스마파를 형성한다.

3. 2. 타겟 노멀 쉴드 가속 (Target Normal Sheath Acceleration, TNSA)

4. RF 가속과의 비교

플라스마 가속은 기존의 입자 가속기인 RF 가속보다 훨씬 강력한 가속장을 생성할 수 있다는 장점이 있다.^[25] RF 가속에서는 가속 튜브의 전기적 절연 파괴 임계값에 의해 가속장의 상한선이 결정되어, 특정 길이에서 가속량이 제한된다.^[26] 따라서 고에너지에 도달하기 위해서는 매우 긴 가속기가 필요하다. 반면 플라스마의 최대 전계는 기계적 특성 및 난류에 의해 정의되지만, 일반적으로 RF 가속기보다 수십 배 더 강하다.

현재 실험 장치는 매우 짧은 거리에서 기존 입자 가속기보다 수십 배 더 우수한 가속 기울기를 보인다. 1미터 규모에서 RF 가속기는 0.1 GeV/m의 가속 기울기를 갖는 반면, 플라스마 가속기는 1 GeV/m의 가속 기울기를 갖는다.^[25][26]

로렌스 버클리 국립 연구소의 레이저 플라스마 가속기는 약 3.3 cm 거리에서 전자를 1 GeV까지 가속시켰다.^[27] 이는 SLAC의 기존 가속기가 동일한 에너지에 도달하는 데 64m가 필요한 것과 비교된다. 또한, 플라스마 웨이크필드 가속기를 사용하여 SLAC SLC 빔(42 GeV)을 85 cm에서 40 GeV 이상의 에너지로 가속하는 데 성공했다.^[28]

10 GV/m의 가속장으로 긴 가속기를 실현할 수 있다면 플라스마 가속 기술을 기반으로 소형 입자 가속기를 만들거나 훨씬 더 높은 에너지의 가속기를 건설할 수 있을 것으로 기대된다.

5. 응용 분야

Horizon 2020의 틀 내에서, 즉 연구 및 기술 개발을 위한 프레임워크 프로그램인 [https://www.eupraxia-project.eu/ EuPRAXIA] 프로젝트 “(응용 분야에서 뛰어난 유럽 플라즈마 연구 가속기)”의 개념 설계 보고서가 74개의 과학 연구소에 의해 작성되었다. 가장 적합한 기술을 찾기 위해 레이저 구동 방식(레이저 웨이크 필드 가속, LWFA), 전자 빔 구동 방식(플라즈마 웨이크 필드 가속, PWFA) 및 하이브리드 방식(LWFA와 PWFA 결합)의 가속 접근 방식이 고려되고 있다. 빔 구동 플라즈마 웨이크 필드 가속 시설은 이탈리아 프라스카티 근처 INFN 국립 연구소(LNF)에 건설될 예정이다. 레이저 구동 방식(레이저 웨이크 필드 가속, LWFA) 시설의 두 번째 부지는 아직 결정되지 않았으며, 결정은 2025년 중반에 내려질 예정이다.

6. 대한민국 현황 및 전망

6. 1. 주요 연구 기관

6. 2. 과제

참조

_[1] 논문 Laser Electron Accelerator
_[2] 논문 Ultrahigh gradient particle acceleration by intense laser-driven plasma density waves
_[3] 논문 Quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration of electrons to 2 GeV Springer Nature 2013-06-11
_[4] 논문 Multi-GeV Electron Beams from Capillary-Discharge-Guided Subpetawatt Laser Pulses in the Self-Trapping Regime American Physical Society (APS) 2014-12-08
_[5] 논문 High-efficiency acceleration of an electron beam in a plasma wakefield accelerator https://www.osti.gov[...] Springer Nature
_[6] 웹사이트 Researchers Hit Milestone in Accelerating Particles with Plasma https://www6.slac.st[...] SLAC National Accelerator Laboratory 2014-11-05
_[7] 논문 Proton-driven plasma wakefield acceleration: a path to the future of high-energy particle physics http://bib-pubdb1.de[...] 2014
_[8] 웹사이트 AWAKE: Making waves in accelerator technology https://home.cern/ab[...] 2017-07-20
_[9] 뉴스 World record: Plasma accelerator operates right around the clock https://phys.org/new[...] phys.org 2020-09-06
_[10] 뉴스 Rekord: Längster Lauf eines Plasmabeschleunigers https://www.scinexx.[...] scinexx 2020-09-06
_[11] 뉴스 Important Milestone Reached on the Road to Future Particle Accelerators https://www.azom.com[...] AZoM.com 2020-08-20
_[12] 뉴스 Plasma accelerators could overcome size limitations of Large Hadron Collider https://phys.org/new[...] phys.org 2020-09-06
_[13] 논문 Decoding Sources of Energy Variability in a Laser-Plasma Accelerator 2020-08-18
_[14] 논문 Path to AWAKE: Evolution of the concept http://strathprints.[...]
_[15] 논문 A Plasma Wave Accelerator - Surfatron I
_[16] 웹사이트 The potential of plasma wakefield acceleration https://www.symmetry[...] 2024-03-22
_[17] 논문 Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids https://journals.aps[...] 2000-10-02
_[18] 논문 Oncological hadrontherapy with laser ion accelerators https://www.scienced[...] 2002-07-01
_[19] 논문 Fast Ignition by Intense Laser-Accelerated Proton Beams https://journals.aps[...] 2001-01-15
_[20] 서적 Ion Acceleration: TNSA https://doi.org/10.1[...] Springer International Publishing 2021-06-10
_[21] 논문 Near-100 MeV protons via a laser-driven transparency-enhanced hybrid acceleration scheme 2018-02-20
_[22] 논문 Stochastic heating in ultra high intensity laser-plasma interaction https://www.scienced[...] 2005-06-15
_[23] 논문 Enhanced laser-driven proton acceleration via improved fast electron heating in a controlled pre-plasma 2021-07-02
_[24] 문서 Plasma expansion into vacuum - A hydrodynamic approach 1987
_[25] 간행물 Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference (Cat. No.97CH36167) IEEE
_[26] 논문 Electron Linac Of Test Accelerator Facility For Linear collider https://core.ac.uk/d[...] 2018-10-13
_[27] 논문 GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator Springer Nature 2006-09-24
_[28] 논문 Energy doubling of 42 GeV electrons in a metre-scale plasma wakefield accelerator Springer Nature