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俄德科学家研发出尾流加速过程中电子束形态仿真系统

发布时间:2020-02-27 08:59:17 文章来源:     作者:
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来自俄科学院西伯利亚分院网站的报道,该分院核物理所与慕尼黑路德维希马克西米利安大学的联合科研团队研发出等离子体尾流加速过程中电子束形态三维仿真系统。根据该系统的仿真结果,注入到等离子舱的电子束在穿越等离子体边界时大部分电子消失,从而导致被加速电子束的电荷急剧降低。相关成果发布在《Plasma  Physics and Controlled Fusion》学术期刊上。

等离子体中电子尾流加速这种想法产生于上世纪70年代,其名称也形象地来自于船尾扫过水面所形成的痕迹。最初采用电子束或强激光脉冲作为物理驱动器(类似于行船),之后转为能量为其几千倍的质子束,由此欧洲核子研究中心于2013年启动了AWEKE项目(Advanced  proton-driven plasma WaKefield Acceleration  Experiment),其目的为试验确认此种电子加速方法的可行性。试验采用强子对撞机上的超级质子同步加速器(SPS)作为质子源,质子束以400GeV的能量被输入到专门的等离子舱内,穿越等离子体并引发震荡,即产生尾流,而尾流对以一定角度注入等离子体的低能电子进行加速。

物理试验装置往往体现为特定的黑箱,电子束尾流加速装置更类似于装满等离子体的管子,只能在其出入口对电子束的形态进行观察,其内部情况则无从得知。根据最初的评估,电子束中被加速电子的数量应能达到40%,然而一些参数下所获得的结果是预期的三百分之一,即仅有0.1%的电子能够到达等离子舱尽头的检测器。为此,联合团队构建了详尽的三维实验模型对电子束尾流加速进行仿真,考察众多物理现象共同作用的结果,其中包括电子穿越等离子边界所发生的散射现象。由于此项物理实验仿真是包含若干阶段的复杂过程,仅计算机模型的研发就花费了几年时间,这其中研发特种软件占用了绝大部分时间。除此之外,软件应能适合于具体的实验课题,并可用于超级计算机。所研发系统一次仿真的时间为28天,其结果可获得120太字节的数据资料,可转换为各种图表和影像。

仿真是在高斯超级计算中心SuperMUC Phase  1超级计算机上进行的,AWAKE项目第一阶段实验工作已于近期完成,试验确认了等离子体中电子尾流加速的可能性。理论上,注入等离子体的电子应能直接到达等离子体中心,“捕捉”到尾流并被加速,然而仿真结果表明,在穿越等离子体边界时众多电子会发生散射并消失。

考虑到等离子舱将进行改造,电子束状态的仿真需要考虑到新型等离子舱的结构特点,所以AWAKE项目下一阶段的实验工作将在等离子舱改造后开始。

                                                                                   (摘自中华人民共和国科学技术部 国内外科技动态)

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