來(lái)自俄科學(xué)院西伯利亞分院網(wǎng)站的報道，該分院核物理所與慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)的聯(lián)合科研團隊研發(fā)出等離子體尾流加速過(guò)程中電子束形態(tài)三維仿真系統。根據該系統的仿真結果，注入到等離子艙的電子束在穿越等離子體邊界時(shí)大部分電子消失，從而導致被加速電子束的電荷急劇降低。相關(guān)成果發(fā)布在《Plasma Physics and Controlled Fusion》學(xué)術(shù)期刊上。

等離子體中電子尾流加速這種想法產(chǎn)生于上世紀70年代，其名稱(chēng)也形象地來(lái)自于船尾掃過(guò)水面所形成的痕跡。最初采用電子束或強激光脈沖作為物理驅動(dòng)器(類(lèi)似于行船)，之后轉為能量為其幾千倍的質(zhì)子束，由此歐洲核子研究中心于2013年啟動(dòng)了AWEKE項目(Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment)，其目的為試驗確認此種電子加速方法的可行性。試驗采用強子對撞機上的超級質(zhì)子同步加速器(SPS)作為質(zhì)子源，質(zhì)子束以400GeV的能量被輸入到專(zhuān)門(mén)的等離子艙內，穿越等離子體并引發(fā)震蕩，即產(chǎn)生尾流，而尾流對以一定角度注入等離子體的低能電子進(jìn)行加速。

物理試驗裝置往往體現為特定的黑箱，電子束尾流加速裝置更類(lèi)似于裝滿(mǎn)等離子體的管子，只能在其出入口對電子束的形態(tài)進(jìn)行觀(guān)察，其內部情況則無(wú)從得知。根據最初的評估，電子束中被加速電子的數量應能達到40%，然而一些參數下所獲得的結果是預期的三百分之一，即僅有0.1%的電子能夠到達等離子艙盡頭的檢測器。為此，聯(lián)合團隊構建了詳盡的三維實(shí)驗模型對電子束尾流加速進(jìn)行仿真，考察眾多物理現象共同作用的結果，其中包括電子穿越等離子邊界所發(fā)生的散射現象。由于此項物理實(shí)驗仿真是包含若干階段的復雜過(guò)程，僅計算機模型的研發(fā)就花費了幾年時(shí)間，這其中研發(fā)特種軟件占用了絕大部分時(shí)間。除此之外，軟件應能適合于具體的實(shí)驗課題，并可用于超級計算機。所研發(fā)系統一次仿真的時(shí)間為28天，其結果可獲得120太字節的數據資料，可轉換為各種圖表和影像。

仿真是在高斯超級計算中心SuperMUC Phase 1超級計算機上進(jìn)行的，AWAKE項目第一階段實(shí)驗工作已于近期完成，試驗確認了等離子體中電子尾流加速的可能性。理論上，注入等離子體的電子應能直接到達等離子體中心，“捕捉”到尾流并被加速，然而仿真結果表明，在穿越等離子體邊界時(shí)眾多電子會(huì )發(fā)生散射并消失。

考慮到等離子艙將進(jìn)行改造，電子束狀態(tài)的仿真需要考慮到新型等離子艙的結構特點(diǎn)，所以AWAKE項目下一階段的實(shí)驗工作將在等離子艙改造后開(kāi)始。

來(lái)源:科技部

圖片來(lái)源：找項目網(wǎng)