شتاب دادن ذره و موج‌های نسبیتی در پلاسما

در جستجوی مداومی كه برای واحدهای ساختمانی اصلی ماده صورت گرفته است، شتاب دهنده‌های ذرات از سال‌های 1930 به بعد (كه سیكلوترون اختراع شد) از ابزارهای ضروری فیزیك‌دان‌ها بوده‌اند. بر خلاف شتابدهنده‌های اولیه كه روی میزها جا می‌گرفت، سنكروترون‌های امروزی، با محیطهایی كه به جای متر با كیلومتر سنجیده می‌شود، بزرگترین ماشین‌هایی هستند كه تاكنون ساخته شده‌اند. بنابراین طبیعی است سؤال شود آیا می‌توان به گرادیان‌های شتابی دست یافت كه بسیار بزرگتر از مقدار فعلی m/MeV20 باشد و در نتیجه بتوان با اندازه و هزینه معقول، ماشین‌هایی با انرژی باز هم بیشتر ساخت.
در طرح هر شتابدهنده‌ای، شرط اصلی رسیدن به انرژی‌های بسیار زیاد، وجود یك میدان الكتریكی بسیار شدید طولی است كه به مدت طولانی با ذرات برهم‌كنش كند. از آنجا كه سرعت ذرات بسیار نسبیتی نزدیك سرعت نور (c) است، انرژیی كه ذرات كسب می‌كنند در صورتی بیشینه می‌شود كه میدان شتابدهنده نیز همراه ذره انتشار یابد. میدان‌های الكتریكی بسیار شدید را، كه با سرعت‌های فاز نزدیك به c منتشر می‌شوند، می‌توان به كمك امواج بار فضایی در پلاسما ایجاد كرد. بیشینه میدان الكتریكی این موج پلاسمای نسبیتی تقریباً برابر جذر چگال الكترونی پلاسما در سانتی مترمكعب است. مثلاً، میدان الكتریكی طولی یك موج پلاسمای نسبیتی كه چگالی زمینه‌اش 3cm/1016 باشد می‌تواند به m/V1010 برسد. چنین امواجی را می‌توان یا با لیزر ایجاد كرد، مثلاً در شتاب‌دهنده موج ضربانی پلاسمایی و یا به وسیله یك بسته كوچك الكترون‌های نسبیتی، فرضاً در شتاب‌دهنده با میدان شیاری پلاسمایی، برانگیخت. در هر دو مورد پلاسما به عنوان یك كاواك تك – مدو كند- موج عمل می‌كند، كه در آن طول موج شتاب‌دهنده نوعاً در حدود چند صد میكرون است در حالی كه این طول موج در شتاب‌دهنده‌های خطی cm10 است. این حوزه تحقیق نشده فضایی پارامترها ممكن است مفتاح كوچك‌سازی احتمالی شتاب‌دهنده‌های ذرات باشد.
در شتابدهنده با موج ضربانی پلاسمایی، دو باریكه لیزر، كه فركانس‌هایشان اندكی با هم تفاوت دارد به حال تشدید در پلاسما می‌تپند؛ تفاوت فركانس‌ها و اعداد موجشان متناظر با عدد موج و فركانس موج پلاسماست. موج ضربان با مدولاسیون دامنه یك نیروی محرك متناوب به الكترون‌های پلاسما وارد می‌آورد و سبب دسته دسته شدن آنها می‌شود.
موج بارفضایی حاصل دارای سرعت فازی برابر با سرعت گروه امواج ضربان است. اگر فركانس‌های لیزری بسیار بیشتر از فركانس پلاسمایی باشد، سرعت گروه تقریباً برابر c خواهد بود. اكنون اگر الكترونی با سرعت نزدیك به این مقدار تزریق شود، به تله می‌افتد و مانند موج سواری كه بر امواج اقیانوس، سوار شده است، به وسیله موج پلاسمایی شتاب می‌گیرد.
در شتابدهنده با میدان شیاری پلاسمایی از یك دسته الكترون پر – جریان كم ولتاژ استفاده می‌شود تا موج پلاسمایی برانگیخته شود. سرعت فاز این موج پلاسمایی (مانند شیاری كه با عبور كشتی در آب ایجاد می‌شود) به سرعت دسته الكترون محرك وابسته است، كه نزدیك به c است. سپس این موج دسته الكترون كم – چگالی بعدی را كه به دنبال می‌آید شتاب می‌دهد و به انرژی و ولتاژ زیاد می‌رساند. بدین طریق پلاسما مانند یك مبدل عمل می‌كند، كه ولتاژ را به بهای كم شدن جریان افزایش می‌دهد. تمهید اصلی برای آنكه نسبت تبدیل بزرگ باشد این است كه از دسته الكترون محركی استفاده شود كه تغییرات چگالیش بدواً كند باشد و به یكباره قطع شود.
در هر دو مورد موج ضربان و میدان شیاری، حیله‌ای كه برای اجتناب از ناپایداری‌هایی معمولی لیزری یا باریكه‌ای پلاسما به كار می‌رود، استفاده از تپ محركی است كه دوام آن فقط چند پیكو ثانیه باشد. برای شبیه سازی برانگیختگی موج پلاسما (ناشی از یك تپ محرك با سطح مقطع متناهی) و بهینه كردن میزان استخراج انرژی به وسیله باریكه شتاب دهنده، تعداد زیادی شبیه سازی‌های ذره‌ای دو بعدی انجام گرفته است. طبق پیش بینی نظری و تأیید شبیه سازی‌ها، بیشینه انرژیی كه ذرات كسب می‌كنند محدود است به اینكه بالاخره یا ذرات از موج پیشی گیرند (از فاز خارج می‌شوند) و یا محرك از طریق دمش تحلیل رود.
آزمایش‌هایی در UCLA، آزمایشگاه رادرفورد (U.K)، ILE (ژاپن)، INRS (كانادا) و نقاط دیگر، در دست اجراست كه منظور از آن‌ها تحقیق در برانگیختگی موج پلاسمایی نسبیتی به وسیله موج ضربان لیزری (به نحوی كه قابل تكرار باشد) و نیز بررسی شتاب كنترل شده ذرات آزمونی تزریق شده است. اخیراً در آزمایشی در UCLA، موج پلاسمای نسبیتی، با ضربان خطوط μm6ر9 و μm6ر10 لیزر 2CO، با شدت متوسط 2cm/W1013×2، در پلاسمایی به چگالی 3cm/1017 برانگیخته شد. میدان الكتریكی موج پلاسمایی با استفاده از پراكندگی تامسون یك باریكه لیزر كاوشی، برابر با m/MeV103 به دست آمد كه پیشرفت قابل ملاحظه‌ای نسبت به گرادیان كنونی شتاب‌دهنده هاست. سازوكار جدیدی كشف شده كه موج پلاسمایی ناشی از صربان را در این حوزه از پارامترها اشباع می‌كند. موج پلاسمایی نسبیتی، در اثر جفت شدن با مدهای دیگر پلاسما كه سرعت فاز كمتری دارند (از طریق تموج یونی ناشی از پراكندگی بریلوئن القایی باریكه‌های لیزر) در مقیاس زمانی چند نانو ثانیه اشباع می‌شود. آزمایشی در مقیاس بزرگتر در UCLA در دست اجراست كه شتاب كنترل شده الكترون‌های تزریقی را به نمایش می‌گذارد. آزمایش‌هایی بر مبنای میدان شیاری در UCLA و ویسكانسین طرح ریزی شده است.
در پایان بد نیست كه به بعضی كاربردهای دیگر این حوزه جدید در فیزیك پلاسما هم اشاره‌ای بشود. موج پلاسمای ضربانی را می‌توان به عنوان یك اندولاتور موج زیر میلی متری، برای تولید تابش قابل تنظیم، با طول موج كوتاه به كمك باریكه‌ای الكترونی با انرژی متوسط، به كار برد. میدان‌های الكتریكی شعاعی یك موج پلاسمایی نسبیتی با بعد عرضی تقریباً حدود یك طول موج، می‌توانند بسیار شدید باشند به علاوه ممكن است برای كانونی كردن ذرات پر انرژی در یك برخورد دهنده خطی مفید واقع شود. پلاسمای ضربانی می‌تواند سیستمی ایده‌آل برای مطالعه تكامل پلاسما از حالت دترمینیستی به حالت تلاطمی باشد.