사용자:최치원/연습장
레이저 플라즈마 가속
편집개념
편집레이저 플라즈마 가속에서 레이저는 빛이므로 횡파이고 횡파의 전기장을 사용하여 종방향(longitudinal direction)으로 운동하는 하전입자를 효율적으로 고에너지로 가속할 수는 없다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해서 강력한 펨토초(fs) 길이의 레이저 펄스를 플라즈마 속에 보내어 플라즈마 파동을 형성한 다음, 플라즈마 파동의 강력한 전기장으로 입자를 가속하자는 아이디어가 1979년 당시 UCLA 물리학과의 John Dawson 교수에 의하여 제안되었다. 다시 말하면, 플라즈마 내의 전자들은 질량이 크므로 펨토초 영역의 아주 짧은 시간 내에는 움직이지 않지만,전자들은 레이저빔의 ponderomotive 힘에 의해 즉시 밀려나므로 플라즈마 내에 플라즈마 파동이 형성된다. 이 플라즈마파동은 종방향의 매우 강력한 전기장을 발생시킨다.이것은 플라즈마 파동에 의해 발생되는 전기장의 세기가 레이저빔 자체의 전기장과 거의 필적할 만큼 강력하다는 것을 의미한다. 그림 1은 레이저 펄스가 플라즈마 속을 진행해 가면서 플라즈마 파동을 형성하는 모습을 particle-in-cell 시뮬레이션으로 보여준다. 그림은 30 펨토초의 펄스폭과 테라와트급 고출력 레이저 펄스가 그림의 왼쪽에서 오른쪽으로 플라즈마 내를진행하면서 전자와 이온들을 전하분리(charge separation) 시키고 플라즈마 파동을 발생시킬 때의 종방향 전기장을 나타내고 있다. 그림을 자세히 살펴보면 가속과 감속 위상의 진동하는 비선형형태의 전기장 모습을 볼 수 있으며, 첫 번째 가속 전기장 위상에 플라즈마 내의 전자들이 입사되고 있음을 볼 수 있다. 레이저-플라즈마를 이용한 전자가속 방법들은 플라즈마 파동을 발생시키는 방법에 따라 몇 가지 유형으로 분류될 수 있다. 플라즈마 파동을 효과적으로 발생시키기 위해서는 플라즈마 파동의 파장과 같은 길이의 레이저빔 펄스가 요구되는데, 이를 구현하기 위한 방법들은 그림 2에 표시된 것과 같이3가지 기본적인 유형으로 분류된다. 펨토초 영역의 펄스폭을 가진 테이블탑 테라와트 레이저가 출현하기 전에는 레이저의 출력이 제한적이었으므로 (a)의plasma beat wave acceleration(PBWA) 방법을 주로 사용하였다. 이 경우에는 파장이 조금 다른 두 레이저빔을 함께 보내어 맥놀이파(beat wave)를 성시키고 이 맥놀이파의 파장과 플라즈마 파동의 파장이 일치되도록 플라즈마 밀도를 조절하면 공진이 있으나 강력한 플라즈마 파동을 발생시킬 수 있다. 이 경우 맥놀이파의 전체 길이는 플라즈마 파동의 파장보다도 훨씬 길어야 한다. PBWA 방법을 구현시키기 위해서는 10.6마이크론과 10.3마이크론의 서로 다른 파장을 동시에 생성시킬 수 있는 이산화탄소 레이저와 1마이크론 주변에서 서로 다른 두 파장을 발생시킬 수 있는 Nd:glass 레이저를 그 동안 주로 사용하여 왔다. 두 레이저 파장의 차이로 인하여 맥놀이파의 파장이 결정되므로 공진을 일으키기 위한 플라즈마 밀도가 자동적으로 결정된다. 플라즈마 맥놀이파에의한 강력한 전기장이 발생하면 외부의 소형 저에너지전자 가속기로 전자빔을 입사시켜 줌으로써 전자를 고에너지로 가속한다. 이와 같은 PBWA 방법은 1테라와트 이하, 1피코초 이상의 비교적 저출력, 긴 펄스 길이의 레이저로도 구현이 가능하므로 펨토초 테이블탑 테라와트 레이저가보편화되기 전까지는 많이 연구되었으나 이후 세계적으로 점점 쇠퇴해가는 추세이다. SM-LWFA(self-modulated laser wakefield acceleration)방법은 플라즈마 파동의 파장보다도 훨씬 더 긴 테라와트 레이저빔을 플라즈마 속에 보내어 줄 때 발생하는Ramanforwardscattering instability에 의해 레이저빔이 플라즈마파동의 파장 길이와 같은 길이로 쪼개어지는 원리를 사용한다 (그림 2(b) 참조). 여러 개로 쪼개어진 짧은 레이저 펄스들이 플라즈마 파동과 공진을 일으켜 점점 강력한 플라즈마 파동이 생성된다. 이때 플라즈마 내의 전자들이 wave breaking등 여러 가지 원인으로 인하여 플라즈마 파동의 가속 위상에 자체 주입(self-injection)되어 고에너지로 가속된다. 따라서 이 방법은 외부에서 전자를 입사시켜 줄 필요가 없기 때문에 입사를 위한 가속기가 별도로 필요 없고 실험적으로 구현하는 것이 매우 간단하다는 장점이 있다. 단점으로는 플라즈마내의 전자들이 무작위로 가속 전장에 입사되므로 에너지 퍼짐이 100%라는 특성을 가지고 있다. LWFA(laser wakefield acceleration) 방법은 그림 2(c)에서와 같이 레이저 펄스의 길이와 플라즈마 파동의 파장이 같도록 플라즈마 밀도를 조절하여 공진이 일어나게 함으로써 플라즈마 파동을 생성, 전자 가속에 이용하는 방법이다. 펨토초 테라와트 레이저를 헬륨이나 질소 등의 초음속 개스젯에 집속시켜 줌으로써 레이저wakefield를 발생시키고 플라즈마내의 전자들이 자체 주입(self-injection)되어 가속된다. 이 방법은 펨토초 레이저 펄스 1개로 플라즈마 파동을 생성, 가속하므로 다른 방법보다도 레이저의 출력이 조금 더 높아야 한다. 특히, 플라즈마 내에서 집속된 레이저 세기가 충분히 강해서 플라즈마 파동 내의 전자들을 거의 다 밀어내는 영역, 즉 bubble regime이라 불리는 영역에 도달하면 플라즈마 전자들이 플라즈마 파동의 좁은 가속 위상에 국한되어 입사, 가속됨으로써 비교적 작은 에너지 퍼짐의 성질을 갖는다는 것으로 알려져 있다. 따라서 최근에는 LWFA이라 함은 대부분bubble regime을 의미하며 현재까지 연구된 여러 가지 레이저 플라즈마 가속 방법들 중 가장 좋은 결과를 내고 있으며,지금은 세계적으로도 주류를 이루는 방법이다.
참조
편집- C. Joshi, "Plasma Accelerators," Scientific American (February 2006), 294, 40–47
- Katsouleas, T. "Accelerator physics: Electrons hang ten on laser wake" Nature (September 2004), 431, 515–516, doi 10.1038/431515a
- Joshi, C. & Katsouleas, T., "Plasma accelerators at the energy frontier and on tabletops", Physics Today 56, No. 6, 47–51 (2003), doi 10.1063/1.1595054.
- Joshi, C. & Malka, V. (2010). “Focus on Laser- and Beam-Driven Plasma Accelerators”. 《New Journal of Physics》.*Lawrence Berkeley National Laboratory
- SLAC National Accelerator Laboratory
- UCLA
- Rutherford Appleton Laboratory
- Lawrence Livermore National Laboratory
- United States Naval Research Laboratory
- Budker Institute of Nuclear Physics
- University of Michigan*Chalk River Laboratories
- Texas Petawatt Laser, University of Texas at Austin
- Advanced Laser-Plasma High-energy Accelerators towards X-rays (ALPHA-X) beam line at the University of Strathclyde
- Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA)