俄德科學(xué)家研發(fā)出尾流加速過(guò)程中電子束形態(tài)仿真系統(tǒng)

    來(lái)自俄科學(xué)院西伯利亞分院網(wǎng)站的報(bào)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(tuán)隊(duì)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(tǒng)。根據(jù)該系統(tǒng)的仿真結(jié)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(dǎo)致被加速電子束的電荷急劇降低。

    等離子體中電子尾流加速這種想法產(chǎn)生于上世紀(jì)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(qiáng)激光脈沖作為物理驅(qū)動(dòng)器（類(lèi)似于行船），之后轉(zhuǎn)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(xiàng)目(Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment)，其目的為試驗(yàn)確認(rèn)此種電子加速方法的可行性。試驗(yàn)采用強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的超級(jí)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(nèi)，穿越等離子體并引發(fā)震蕩，即產(chǎn)生尾流，而尾流對(duì)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(yàn)裝置往往體現(xiàn)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(duì)電子束的形態(tài)進(jìn)行觀察，其內(nèi)部情況則無(wú)從得知。根據(jù)最初的評(píng)估，電子束中被加速電子的數(shù)量應(yīng)能達(dá)到40%，然而一些參數(shù)下所獲得的結(jié)果是預(yù)期的三百分之一，即僅有0.1%的電子能夠到達(dá)等離子艙盡頭的檢測(cè)器。為此，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了詳盡的三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)電子束尾流加速進(jìn)行仿真，考察眾多物理現(xiàn)象共同作用的結(jié)果，其中包括電子穿越等離子邊界所發(fā)生的散射現(xiàn)象。由于此項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)仿真是包含若干階段的復(fù)雜過(guò)程，僅計(jì)算機(jī)模型的研發(fā)就花費(fèi)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(yīng)能適合于具體的實(shí)驗(yàn)課題，并可用于超級(jí)計(jì)算機(jī)。所研發(fā)系統(tǒng)一次仿真的時(shí)間為28天，其結(jié)果可獲得120太字節(jié)的數(shù)據(jù)資料，可轉(zhuǎn)換為各種圖表和影像。

    仿真是在高斯超級(jí)計(jì)算中心SuperMUC Phase 1超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，AWAKE項(xiàng)目第一階段實(shí)驗(yàn)工作已于近期完成，試驗(yàn)確認(rèn)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(yīng)能直接到達(dá)等離子體中心，“捕捉”到尾流并被加速，然而仿真結(jié)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以AWAKE項(xiàng)目下一階段的實(shí)驗(yàn)工作將在等離子艙改造后開(kāi)始。