Лазерный ускоритель электронов. Лазерно-плазменный ускоритель нового поколения. Отличие кильватерной волны у лазерного импульса

май 2006 № 5 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика

ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Чандрашекар Джоши

В новых ускорителях элементарные частицы будут накапливать колоссальную энергию, скользя на гребнях плазменных волн.

С помощью ускорителей элементарных частиц физики пытаются разгадать фундаментальные загадки природы. В этих гигантских установках заряженные частицы разгоняют почти до скорости света и затем сталкивают их друг с другом, воссоздавая условия, существовавшие в момент рождения Вселенной. Анализируя результаты столкновений, ученые стремятся понять, как связаны между собой, казалось бы, несопоставимые силы и частицы, и как можно было бы описать их взаимодействие в рамках единой теории. Но чем ближе физики подходят к разгадке сокровенных тайн творения, тем более мощные и дорогие ускорители требуются для проведения экспериментов.

Самый мощный ускоритель строится сейчас в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN). Речь идет о Большом адронном коллайдере (LHC) диаметром 8,6 км, который будет введен в эксплуатацию в 2007 г. Протоны в нем будут разгоняться под действием семи триллионов вольт, и их столкновения расскажут нам, откуда берется масса частиц (см. «Загадки массы», «ВМН», №10, 2005 г.). С помощью уже действующих установок ученые пытаются получить кварк-глюонную плазму (исходное состояние материи) и разобраться, почему во Вселенной вещества больше, чем антивещества. Сегодня во всех ускорителях используется старая, громоздкая технология разгона заряженных частиц СВЧ-излучением.

Плазменные ускорители разгоняют электроны до нескольких сотен МэВ и при этом помещаются на лабораторном столе.

ОБЗОР: ПЛАЗМЕННЫЙ СЕРФИНГ

Десятилетиями для ускорения элементарных частиц до околосветовых скоростей использовались СВЧ-резонаторы. Из них состоит и Большой адронный коллайдер (LHC) диаметром 8,6 км, который будет запущен в 2007 г.

Существенно уменьшить размеры и стоимость ускорителей высокой энергии позволит технология разгона электронов и позитронов, скользящих на вершине электромагнитной волны, возбуждаемой в плазме. Новая методика уже была проверена в лабораторных экспериментах.

На основе плазменных устройств можно будет создавать настольные ускорители низкой энергии для проведения исследований в области материаловедения, структурной биологии, ядерной медицины и стерилизации пищевых продуктов.

Последние три четверти века мощность ускорителей каждые 10 лет возрастала примерно на порядок, что позволило ученым сделать множество фундаментальных открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц. Но продолжится ли такой прогресс? Ускорители на СВЧ-излучении, похоже, достигли предела своих возможностей. В 1993 г. конгресс США прекратил финансирование сверхпроводникового суперколлайдера диаметром 28 км и стоимостью $8 млрд., который был бы вдвое мощнее, чем LHC. Теперь физики надеются, что следующим после LHC будет построен линейный коллайдер длиной 30 км, но нет никакой уверенности, что многомиллиардный проект не разделит судьбу суперколлайдера. Как нельзя более кстати появились новые методы ускорения частиц с помощью плазмы, применение которой позволит значительно уменьшить размеры и стоимость ускорителей для физики самых высоких энергий (100 ГэВ и больше).

Помимо гигантских ускорителей, работающих на предельно высоких энергиях, существуют машины и поскромнее. Они используются в материаловедении, структурной биологии, ядерной медицине, а также для изучения термоядерного синтеза, стерилизации пищевых продуктов, переработки ядерных отходов и лечения некоторых видов рака. В таких установках энергия электронов или протонов относительно невелика (от 100 МэВ до 1 ГэВ), но, тем не менее, они занимают много места. В ближайшем будущем им на смену скорее всего придут настольные плазменные ускорители.

РЕЖИМ ПУЗЫРЯ

В ускорителе с кильватерным полем используется ускоряющая сила, создаваемая возмущенным распределением зарядов, которое называют кильватерным полем. Ведущий лазерный или электронный импульс выталкивает электроны плазмы (белые) на периферию, оставляя за собой область положительного заряда (зеленая). Она втягивает отрицательно заряженные электроны назад, и позади ведущего импульса формируется электронный пузырь. Вдоль оси распространения пучка электрическое поле (изображено внизу) напоминает очень крутую, готовую обрушиться океанскую волну. Кильватерное поле придает мощное ускорение ведомому электронному импульсу, захваченному задней частью пузыря.

СВЧ-излучение и плазма

Прежде чем приступить к рассмотрению новой технологии, познакомимся с классическими ускорителями поближе. Во-первых, они ускоряют либо легкие элементарные частицы (электроны и позитроны), либо тяжелые (протоны и антипротоны). Во-вторых, частицы могут разгоняться либо за один проход по прямой, либо за несколько круговых оборотов. Например, LHC представляет собой кольцевую установку, в которой будут сталкиваться два пучка протонов. После LHC физики надеются построить линейный коллайдер электронов и позитронов с энергией в точке столкновения порядка 0,5 ТэВ. При таких энергиях электроны и позитроны должны разгоняться по прямой, поскольку круговое ускорение привело бы к чрезмерным энергетическим потерям на синхротронное излучение. Плазменные ускорители лучше всего подходят именно для линейного ускорения легких частиц.

Обычный линейный коллайдер ускоряет частицы электрическим полем, которое движется синхронно с ними. В объемном резонаторе с замедленной волной (металлическая трубка с периодически расположенными диафрагмами) с помощью мощного СВЧ-излучения создается электрическое поле. При напряженности поля от 20 МВ/м до 50 МВ/м происходит электрический пробой: с металлических стенок резонаторов проскакивают электрические искры, и ток в них резко падает. Поскольку напряженность электрического поля должна быть ниже порога пробоя, для разгона частиц до больших энергий требуются большие расстояния. Например, чтобы получить триллионвольтный пучок частиц, необходим ускоритель длиной 30 км. Если бы мы не были ограничены пределом электрического пробоя, его можно было бы сделать более компактным.

В ускорителях нового типа роль ускоряющей структуры играет ионизированный газ, т.е. плазма. Одним из основных элементов конструкции становится электрический пробой, поскольку он необходим для ионизации газа. В качестве источника энергии используется не СВЧ-излучение, а луч лазера или пучок заряженных частиц.

Казалось бы, ни то, ни другое не подходит для ускорения элементарных частиц: и в лазерном луче, и в потоке заряженных частиц есть сильные электрические поля, но их векторы перпендикулярны направлению распространения. А ведь в ускорителе электрическое поле должно быть продольным, т.е. направленным в сторону движения разгоняемых частиц. К счастью, когда лазерный луч или пучок заряженных частиц проходит через плазму, в ней может возникать мощное продольное электрическое поле.

Плазма в целом электрически нейтральна и содержит равные количества отрицательных (электроны) и положительных (ионы) зарядов. Импульс мощного лазера или сгусток частиц создают в плазме возмущение. По существу, луч срывает легкие электроны с более тяжелых положительных ионов, в результате чего возникают области избытка положительных и избытка отрицательных зарядов (см. рис. сверху). Возмущение образует волну, которая перемещается в плазме почти со скоростью света. Мощное электрическое поле, направленное от области положительного заряда к области отрицательного, ускоряет попавшие в него заряженные частицы.

Ионизированный газ может поддерживать ускоряющие электрические поля фантастической величины. Например, в плазме, содержащей 10 18 электронов в 1 см 3 (довольно обычная величина), может возникнуть волна с пиковым электрическим полем -100 ГВ/м - в тысячу раз больше, чем в обычном ускорителе на СВЧ-излучении. Однако существует принципиальная проблема: типичная длина СВЧ-волны составляет 10 см, а длина плазменной волны - всего 30 мкм, и разместить в ней сгусток ускоряемых электронов очень сложно.

Описанный метод ускорения элементарных частиц с помощью плазмы был предложен еще в 1979 г. Джоном Доусоном (John M. Dawson) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Но прошло почти полтора десятка лет, прежде чем был поставлен эксперимент, в котором электроны разгонялись в волнах плазмы. Автор статьи вместе с коллегами из UCLA однозначно решил эту задачу в 1993 г. Особого внимания заслуживают два новых вида ускорителей: с лазерным и с плазменным кильватерными полями. Лазерное кильватерное поле найдет широкое применение в настольных ускорителях небольшой мощности, а плазменное - в сверхмощных коллайдерах, которые будут обеспечивать наибольшую энергию столкновений.

УСКОРИТЕЛЬ С ЛАЗЕРНЫМ КИЛЬВАТЕРНЫМ ПОЛЕМ

В настольном плазменном ускорителе высокоинтенсивный луч лазера фокусируется на сверхзвуковой струе газообразного гелия (слева). Световой импульс создает в струе газа плазму, и кильватерное поле ускоряет некоторые из ее электронов. Получившийся электронный импульс коллимируется и проходит через магнитное поле, отклоняющее частицы соответственно их энергиям. Такой ускоритель может разместиться на столе размером 1,2 м на 1,8 м.

Снимки электронных пучков (справа), сделанные в Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института, демонстрируют, как было преодолено главное препятствие. Хотя некоторые электроны ускорялись до 100 МэВ, нижняя граница диапазона энергий доходила до 0 МэВ (a). Кроме того, пучок расходился на целый градус. Напротив, в экспериментах с недавно открытым режимом пузыря удалось получить хорошо сфокусированный моноэнергический пучок с энергией около 180 МэВ (б).

Импульсы света

Сегодня мы можем говорить о создании настольных плазменных ускорителей, поскольку в нашем распоряжении есть компактные титан-сапфировые лазеры, генерирующие ультракороткие световые импульсы мощностью до 10 ТВт. Когда такой импульс направляют на струю гелия длиной 2 мм, он мгновенно срывает с молекул газа электроны, создавая плазму.

Световое давление лазерной «пули» настолько велико, что электроны «выдуваются» наружу во всех направлениях. Покинутые ими ионы притягивают их обратно, и электроны устремляются к оси, вдоль которой распространяется лазерный импульс, проскакивают ее и снова движутся наружу. В результате возникают волнообразные колебания, которые называются лазерным кильватерным полем.

Электроны образуют своеобразный пузырь диаметром приблизительно 10 мкм. Около его фронта движется лазерный импульс, создающий плазму. Внутренняя часть пузыря состоит из ионов, а электрическое поле в нем напоминает чрезвычайно высокую океанскую волну. Возможны и другие конфигурации, но в режиме пузыря ускорение электронов обеспечивается наиболее надежно.

Когда электронная пушка впрыскивает электроны в то место плазмы, где они уже есть в избытке, новые частицы под действием электрического поля устремляются к положительным зарядам внутри пузыря. Волна движется вперед со скоростью света, поэтому инжектируемые электроны должны иметь околосветовую скорость, чтобы поймать волну и получить от нее дополнительную энергию. Согласно теории относительности дальнейшее увеличение энергии электронов происходит главным образом за счет увеличения их массы, а не скорости. Поэтому они не опережают плазменную волну, а как бы скользят на ее гребне, приобретая все большую энергию. Некоторые электроны самой плазмы точно так же захватываются и ускоряются, словно пена, подхваченная гребнем океанской волны.

В 2002 г. Виктор Малка (Victor Malka) из Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института показал, что с помощью управляемого лазером кильватерного поля можно создавать хорошо сфокусированный пучок, содержащий 108 электронов. К сожалению, диапазон энергии ускоренных электронов оказался очень широк (от 1 МэВ до 200 МэВ). В большинстве случаев требуются пучки электронов с одинаковой энергией.

Вскоре для получения низкоэнергетических электронных пучков можно будет использовать настольные плазменные ускорители.

Большой разброс энергии обусловлен тем, что электроны захватываются волной поля в разных точках и в разное время. В обычном ускорителе частицы вводятся в одном месте недалеко от пика электрического поля. Ученые считали, что такой точный впрыск в ускорителе с лазерным кильватерным полем невозможен, т.к. ускоряющая структура имеет микроскопические размеры и существует в течение очень короткого времени. Однако в 2004 г. три конкурирующие группы исследователей из США, Франции и Великобритании одновременно обнаружили новый физический режим, в котором самозахваченные электроны движутся как единое целое и достигают одной и той же энергии. Все три группы использовали лазеры более высокой мощности, чем прежде (от 10 ТВт и выше). Когда столь мощный лазерный импульс проходит через плазму, он становится короче и же и создает большой электронный пузырь, захватывающий электроны из плазмы. Таких самозахваченных электронов оказывается настолько много, что они отбирают у кильватерной волны довольно много энергии, и захват новых частиц прекращается. Самые энергичные электроны в авангарде сгустка опережают волну и начинают терять энергию, тогда как отставшие электроны с меньшей энергией продолжают ее набирать.

В результате получается пучок электронов с узким распределением энергии. Например, в экспериментах Малки ее разброс был снижен со 100% до 10% при интенсивности пучка порядка 109 электронов. Заметно уменьшилось и его угловое рассеяние: оно оказалось сопоставимым с угловым рассеянием пучков, создаваемых лучшими линейными СВЧ-ускорителями. Полученные пучки электронов фактически представляли собой импульсы длительностью всего 10 фс, т.е. были самыми короткими из когда-либо созданных в ускорителях. Поэтому их можно использовать в качестве источника излучения для изучения сверхбыстрых химических и биологических процессов. Если такой электронный импульс направить на тонкую металлическую мишень, то можно получить столь же короткий рентгеновский импульс. Вероятно, вскоре рентгеновское излучение, получаемое с помощью настольных ускорителей, найдет множество применений.

В принципе, ускоритель с лазерным кильватерным полем может разгонять электроны до энергии порядка 1 ГэВ, но для этого нужно получить плазменную волну, которая сохраняется на протяжении целого сантиметра, а не пары миллиметров. Чтобы возбуждающий ее лазерный луч как можно дольше сохранял свою интенсивность, необходимо создать для него плазменный световод. Наиболее перспективным считается метод предварительного формирования плазменного световода, который разрабатывают исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. В этом методе плотность электронов около оси плазмы ниже, чем на периферии. Поэтому коэффициент преломления в центре плазменного канала оказывается выше, чем на периферии, и канал ведет себя как оптоволокно, направляющее лазерный луч. Эксперименты в Беркли уже показали, что такие каналы позволяют получить моноэнергетические пучки электронов. Дальнейшее усовершенствование технологии, вероятно, приведет к появлению настольных плазменных ускорителей ГэВ-класса.

ДОЖИГАТЕЛЬ ПЛАЗМЫ

Ускорение в плазменном кильватерным поле недавно было продемонстрировано на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC). В плазменной установке энергия пучка электронов увеличивалась на 4 ГэВ на пути всего 10 см, для чего на обычном СВЧ-ускорителе потребовалась бы секция длиной 200 м.

В специальной печи испаряются таблетки лития. Интенсивный электронный импульс (красный) ионизирует пар и создает плазму. Он «выдувает» электроны плазмы (синие) наружу, формируя позади себя возмущенное распределение зарядов, создающее ускоряющее поле. Электроны, находящиеся в кильватерном поле, испытывают мощное ускорение (оранжевые стрелки).

В отсутствие лития (a) пучок электронов, разогнанных SLC до 30 ГэВ, был моноэнергетическим (энергия откладывается по вертикали). После прохождения через 10 см литиевой плазмы (б) многие частицы пучка потеряли энергию на создание плазменного кильватерного поля (красный хвост), которое ускорило небольшое число электронов в задней части импульса до более высокой энергии (синяя область вверху).

Приближение к предельной энергии

А нельзя ли использовать компактные плазменные ускорители для разгона элементарных частиц до энергий порядка 1 ТэВ? В принципе, можно было бы последовательно соединить сотни компактных лазерно-плазменных ускорительных модулей, дающих приращение энергии по нескольку ГэВ. Аналогичная каскадная схема используется для получении высоких энергий с помощью традиционных СВЧ-ускорителей. Однако каскадирование плазменных ускорителей сопряжено с огромными трудностями.

Сегодня предпочтение отдается методу дожигания плазмы, при котором ускоритель с плазменным кильватерным полем удваивает энергию частиц, разогнанных обычным ускорителем. Последний выдает два импульса электронов или позитронов с энергией порядка нескольких сотен ГэВ. В первом импульсе (его называют ведущим) содержится в три раза больше частиц, чем во втором (ведомом). И длительность каждого импульса, и временной интервал между ними обычно составляет 100 фс. Как и в лазерном ускорителе, плотный ведущий импульс попадает в менее плотную плазму и создает пузырь с кильватерным полем. Процесс протекает так же, как в ускорителе с лазерным кильватерным полем, но электроны разбрасываются не световым давлением луча, а электрическим полем ведущего импульса. Затем ведомый импульс попадает в электронный пузырь и быстро ускоряется продольной составляющей полученного электрического поля.

Ускоритель с плазменным кильватерным полем вызвал большой интерес у физиков, занимающихся совершенствованием ускорительной техники. Столь привлекательным его сделали достижения ученых из UCLA, Университета Южной Калифорнии и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC). Прежде всего им удалось создать плазменный ускоритель метровой длины как для электронов, так и для позитронов. Большое искусство потребовалось для того, чтобы научиться поддерживать устойчивость ведущих пучков на таком расстоянии. Кроме того, физики продемонстрировали увеличение энергии электронов более чем на 4 ГэВ на дистанции всего 10 см. Самое главное, что нет никаких принципиальных препятствий для еще большего увеличения энергии: достаточно просто удлинить участок с плазмой.

Наконец, ученые показали, что плазма улучшает фокусировку электронного или позитронного луча как минимум в два раза. Это весьма существенно для коллайдеров, в которых ускоренные частицы должны быть сфокусированы на очень маленьком пятнышке. Чем сильнее сосредоточены пучки, тем больше происходит столкновений, количество которых является столь же важным параметром коллайдера, как и их энергия.

Перечисленные успехи позволяют задуматься об использовании плазменной схемы для достижения верхней границы энергий. Однако сначала технику следует проверить на работающем ускорителе, используя его как первую ступень. Например, пару плазменных устройств длинной 10 м можно было бы установить по обе стороны от точки столкновения на Стэнфордском линейном коллайдере, чтобы увеличить энергию частиц с 50 ГэВ до 100 ГэВ. Хотя проект еще не профинансирован, SLAC уже предложил министерству энергетики построить линию SABER для ускорения частиц до высоких энергий, чтобы продолжить исследования.

На участке длиной 10 см плазменный ускоритель увеличивает энергию электронов на 4 ГэВ.

Мы рассмотрели принцип действия ускорителей применительно к разгону электронов. Чтобы ускорять позитроны или другие положительно заряженные частицы, нужно перевернуть электрическое поле. Например, можно использовать в качестве ведущего пучок позитронов. Его положительный заряд будет затягивать электроны плазмы внутрь, а они, как и прежде, будут проскакивать центральную ось и образовывать пузырь. При этом направление электрического поля изменится на противоположное тому, которое наблюдалось бы в случае электронного импульса, что и требуется для ускорения ведомого импульса позитронов.

Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ.

Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени).

Создателям обычного ускорителя потребовалось 75 лет, чтобы довести энергию столкновения электронов с позитронами до 200 ГэВ. Технология плазменных ускорителей развивается гораздо быстрее, и ученые надеются выйти за пределы возможностей СВЧ-систем для физики высоких энергий всего за пару десятилетий.

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГИИ ОБЫЧНОГО УСКОРИТЕЛЯ

Эксперимент с использованием Стэнфордского линейного коллайдера (SLC) мог бы продемонстрировать возможность применения плазменных дожигателей с кильватерным полем для повышения энергии обычного ускорителя. Десятиметровые дожигатели, установленные на выходах трехкилометрового SLC, должны увеличивать энергию предварительно разогнанных электронов и позитронов с 50 ГэВ до 100 ГэВ. Плазменные линзы помогут сфокусировать пучки с удвоенной энергией, чтобы они сталкивались в одной точке. Электронный дожигатель должен быть заполнен плазмой, а в позитронном должен быть полый осевой канал. Описанный эксперимент пока не профинансирован.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Plasma Particle Accelerators. John M. Dawson in Scientific American, Vol. 260, No. 3, pages 54-61; March 1989.

Plasma Accelerators at the Energy Frontier and on Tabletops. Chandra-shekhar Joshi and Thomas Katsouleas in Physics Today, Vol. 56, No. 6; pages 47-53; June 2003.

Accelerator Physics: Electrons Hang Ten on Laser Wake. Thomas Katsouleas in Nature, Vol. 431, pages 515-516; September 30, 2004. Also three research reports in the same issue.

The Lasers, Optical Accelerator Systems Integrated Studies (L’OASIS) Group at the University of California, Berkeley: http://loasis.lbl.gov/

Stanford’s Plasma Wakefield Accelerator Experiment: www.slac.stanford.edu/grp/arb/e164/index.html

ОБ АВТОРЕ:
Чандрашекар Джоши (Chandrashekhar Joshi) - профессор электротехники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Он руководит Центром высокочастотной электроники и установкой «Нептун» для углубленных исследований ускорительной техники в UCLA. Автор новейших методов ускорения элементарных частиц, Джоши известен работами, посвященными нелинейной оптике плазмы, взаимодействию интенсивного лазерного излучения с веществом и применению плазмы в ядерном синтезе, ускорителях и источниках света

Сразу две публикации сообщают о первой экспериментальной реализации новой методики ускорения заряженных частиц - лазерного ускорения над диэлектрическими структурами. Она подкупает не только сильным ускоряющим полем, но и своей дешевизной, полностью оптической конструкцией, компактностью и простотой масштабирования. Практическая реализация такого «ускорителя-на-чипе» позволит резко снизить стоимость и повысить доступность ускорителей для прикладных исследований.

Трудности ускорительной физики

Ускорители элементарных частиц нужны не только физикам, но и обычных людям. Из десятков тысяч ускорителей, которые сейчас существуют в мире, лишь около сотни работают по прямому назначению, для изучения микромира. Все остальные используются для решения прикладных задач в биологии, в материаловедении, в медицине и даже, как это ни странно, для изучения истории Древнего мира (вот лишь один пример). Краткое перечисление этих применений можно найти, например, в брошюре Accelerators and Beams, Tools for discovery and innovation (PDF, 7 Мб).

Главная задача ускорителя - ускорять электроны, протоны и другие частицы до нужных энергий. Конечно, энергия - это не единственная характеристика пучка частиц; обычно еще требуется, чтобы он был узким, интенсивным, хорошо сфокусированным, монохроматичным, с хорошим продольным профилем и т. д. Но первостепенной задачей является именно ускорение. Ускоряют заряженные частицы с помощью продольного электрического поля, и чем сильнее поле, тем более эффективным является ускорение. Пересчет поля в энергии тут элементарный. Если у вас внутри установки создано электрическое поле напряженностью 1 мегавольт на метр (МВ/м), то ускоряющий градиент составляет тот же 1 МэВ/м, то есть на каждом метре пути энергия электрона или протона увеличивается на 1 мегаэлектронвольт (МэВ). Если вы хотите ускорить электрон до энергии 100 ГэВ, будьте добры обеспечить 100-километровый участок с таким градиентом, либо придумайте, как его увеличить.

Ускоряющего поля напряженностью в мегавольты и даже десятки мегавольт на метр современная технология еще позволяет достичь. Обычно внутри специально изготовленной сверхпроводящей камеры сложной формы возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, которая подталкивает пролетающие сквозь нее частицы (проверить свои навыки ускорения частиц можно во флэш-игре LHC Game). Однако градиент больше нескольких десятков МэВ/м в таких камерах получить не удается - металл просто не выдерживает слишком сильного поля, происходит пробой камеры. Именно поэтому линейный электрон-позитронный коллайдер на энергию порядка 1 ТэВ будет длинным, несколько десятков километров, и, как следствие, довольно дорогим.

Другой вариант - сделать ускоритель не линейным, а циклическим, то есть кольцевым (см. устройство типичного ускорителя на интерактивном плакате). Частицы в нем постоянно циркулируют внутри кольцевой трубы, а не проходят всю дистанцию только один раз. Тогда ускорительную секцию можно поставить скромную, зато энергию можно увеличивать, казалось бы, без ограничений - ведь частицы будут пролетать ее миллионы раз в секунду. К сожалению, тут есть другая проблема. Частицы со слишком большой энергией трудно удерживать на кольцевой траектории. На линейном участке - пожалуйста, но как только частице нужно поворачивать, к ней надо прикладывать силу. А это достигается опять-таки за счет внешнего поля - на этот раз магнитного поля внутри поворотного магнита . Поскольку оно ограничено, приходится частицы поворачивать постепенно , то есть увеличивать радиус поворота. Поэтому кольцевые ускорители на большие энергии, например Большой адронный коллайдер, тоже получаются огромными.

В случае циклических ускорителей электронов возникает еще дополнительная проблема: электроны при повороте излучают электромагнитные волны и теряют энергию. Поэтому ускорительная секция должна, прежде всего, компенсировать потери энергии на каждом обороте, а уж потом увеличивать энергию. И когда на одно лишь поддержание энергии требуется тратить сотни мегаватт (!), дальнейшее ее повышение становится просто нерентабельным. А для линейной траектории таких проблем нет.

Получается, в обоих типах ускорителя есть естественное ограничение на энергию частиц, и возникает оно потому, что мы до сих пор не умеем создавать и держать достаточно сильные электрические и магнитные поля. Никакие обычные, отлаженные сейчас ускорительные технологии не могут справиться с этой проблемой.

К счастью, для подавляющего большинства прикладных ускорителей это не проблема. Энергии там требуются небольшие, порядка сотен МэВ, их вполне можно получить и на установке размером несколько метров. Но остаются другие технические проблемы, начиная от высокотехнологического процесса изготовления ускорительных секций и заканчивая сложной инфраструктурой и большим энергопотреблением. Да и компактными такие ускорители не назовешь: под них в любом случае приходится выделять целое здание. О настольном, а тем более портативном ускорителе можно только мечтать.

Попытки разорвать заколдованный круг

Единственный способ резко уменьшить размеры ускорителей и удешевить их производство - найти новую технологию ускорения частиц , которая позволила бы увеличить ускоряющий градиент хотя бы до сотен МэВ/м. И надежды на это есть. Дело в том, что в принципе поле напряженностью в многие гигавольты на метр получить несложно; главная трудность - как его удерживать , ведь такое поле вызовет пробой металлических стенок.

Хорошо известны два способа, как эту трудность обойти: это лазерные и лазерно-плазменные ускорители . Эти технологии уже давно на слуху, см. видео-рассказ , лекцию с многочисленными анимациями, подборку популярных материалов о ней, а также , новость , и задачу на «Элементах». В лазерных ускорителях металлическая фольга облучается сверхмощным лазерным импульсом (пиковая мощность порядка петаватт), который буквально «выдувает» электроны из фольги . В лазерно-плазменной технологии используют не металлические структуры, а ячейки с плазмой; если плазму вывести из состояния равновесия, в ней могут возникать поля аж в сотни гигавольт на метр. Конечно, плазма не будет такое поле держать, но это и не нужно. Достаточно создать его внутри пузырька, который будет лететь вместе со сгустком частиц и ускорять его на всей длине плазменной камеры. Эта технология - давно не фантазия, она уже была успешно продемонстрирована в эксперименте. Уже были достигнуты градиенты в десятки ГэВ/м, то есть в тысячу (!) раз больше, чем с помощью традиционных технологий, правда, на очень коротком участке, длиной в считанные миллиметры.

У этих многообещающих технологий есть, впрочем, и недостатки. Первый - проблемы с масштабируемостью. О лазерных ускорителях вообще нечего говорить: там ускорение получается только однократным при прожигании одного листочка фольги. В лазерно-плазменных огромные поля продемонстрированы пока внутри маленькой камеры размером не более нескольких сантиметров. Для ускорения на большие энергии требуется состыковать множество таких камер друг с другом и синхронизовать образование плазменного пузырька во всех них. Вот эта задача пока остается нерешенной, хотя первые эксперименты по стыковке двух камер уже проведены.

Другая очевидная проблема - поведение пучка ускоряемых частиц. Ведь пучку приходится не только лететь сквозь саму плазму, но и постоянно проходить через стенки камер. Совместимо ли это с требуемыми параметрами пучков и их интенсивностью - вопрос сложный; в любом случае, приходится ломать голову над тем, как бы не испортить пучок ускорением.

И наконец, остается проблема со стоимостью. Даже если удастся создать, скажем, компактный протонный лазерный ускоритель для выжигания раковых опухолей, он всё равно будет использовать сверхмощный лазер, а это очень дорогая установка.

Впрочем, к чести лазерно-плазменных ускорителей надо сказать, что их потенциал далеко не исчерпан. Несколько месяцев назад была описана схема и проведено численное моделирование электронного ускорения в периодической плазменной структуре. Ускоряющие градиенты там получаются совсем заоблачные, много ТэВ/м. Если это удастся реализовать, то хиггсовские бозоны можно будет рождать в настольном ускорителе. Однако от идеи до экспериментальной реализации путь длинный, поэтому эти предложения лежат пока, скорее, в сфере желаемого, чем действительного.

Новая технология ускорения

В сложившейся ситуации с традиционными и лазерно-плазменными ускорителями кажется очень привлекательной еще одна методика - диэлектрический лазерный ускоритель . Не обещая огромных ускоряющих градиентов, эта схема подкупает своей простотой, масштабируемостью, компактностью и дешевизной. Она была предложена не так давно, и до сих пор всё ограничивалось только теоретическими исследованиями этого типа ускорителей. Но сейчас ситуация изменилась: на днях в журналах Nature и Physical Review Letters одновременно вышли две статьи, в которых сообщается о первой успешной реализации этого метода. Ускорение электронов, достигнутое в этих работах, пока что совершенно ничтожно, но за высокой эффективностью тут никто и не гнался - эти опыты лишь успешно доказали, что метод работает. Уже сейчас видно, как без труда улучшить все показатели пучков.

Обрисуем вкратце суть диэлектрического лазерного ускорения на примере статьи в Phys. Rev. Lett. В крошечном образце прозрачного диэлектрика (например, кварцевого стекла) вытравливаются длинные параллельные бороздки с периодом в долю микрона (рис. 2). Получается фазовая дифракционная решетка, но с очень маленьким периодом. Снизу сквозь стекло пропускают лазерный луч с длиной волны чуть больше, чем период решетки. А прямо над этой структурой, параллельно поверхности стекла, пролетает компактный электронный сгусток. Он чувствует только лазерный луч - направленный, заметьте, перпендикулярно движению электронов! - но именно этот лазерный свет его ускоряет (рис. 1).

За счет чего происходит здесь ускорение? Свет с линейной поляризацией, перпендикулярной бороздкам, наводит на них поляризацию. Поэтому в вакууме непосредственно над поверхностью существует колеблющееся периодическое электрическое поле (рис. 3). Если период структуры слишком маленький, то это поле держится около поверхности, словно некий «виртуальный» свет, и не может улететь вверх. Это так называемое ближнее световое поле , или эванесцентная волна (см. задачу на похожую тему). Его можно представить как набор электромагнитных волн, которые бегут вдоль поверхности стекла, но перпендикулярно бороздкам; это движение и показано на рис. 3 в виде последовательных «кадров» состояния поля. Скорость этих волн легко настраивается подбором длины волны света. Теперь важный момент - электрическое поле в этой волне тоже направлено вдоль поверхности, параллельно направлению движения волны. Возникают идеальные условия для ускорения частиц: если электронный сгусток движется с той же скоростью, что и волна, то она его просто подхватывает и несет вперед, попутно разгоняя своим электрическим полем.

Прямое ускорение лазерным полем

Прямое ускорение лазерным полем малоэффективно, поскольку в строго одномерной задаче электрон, попадающий в поле лазерного импульса, после выхода из него имеет ту же энергию , что и в начале, то есть требуется проводить ускорение в сильносфокусированных полях, в которых существенна продольная составляющая электрического поля , но в таких полях фазовая скорость волны вдоль оси распространения больше скорости света , поэтому электроны быстро отстают от ускоряющего поля. Чтобы компенсировать последний эффект предлагалось проводить ускорение в газе , где относительная диэлектрическая проницаемость выше единицы, и фазовая скорость уменьшается. Однако в этом случае существенным ограничением является то, что уже при интенсивностях излучения порядка 10 14 Вт/см² газ ионизируется , образуя плазму , что приводит к дефокусировке лазерного пучка. Экспериментально таким методом была продемонстрирована модуляция в 3,7 МэВ пучка электронов, имевших энергию 40 МэВ .

Ускорение в плазменной волне

При распространении достаточно интенсивного лазерного импульса в газе происходит его ионизация с образованием неравновесной плазмы, в которой за счёт пондеромоторного воздействия лазерного излучения возможно возбуждения так называемой кильватерной волны - ленгмюровской волны , бегущей вслед импульсу. В этой волне имеются фазы, в которых продольное электрическое поле является ускоряющим для электронов, бегущих вместе с волной. Поскольку фазовая скорость продольной волны равна групповой скорости лазерного импульса в плазме, которая лишь немногим меньше скорости света, релятивистские электроны могут находиться в ускоряющей фазе достаточно длительное время, приобретая значительную энергию. Этот метод ускорения электронов был впервые предложен в 1979 году .

При увеличении интенсивности лазерного импульса увеличивается амплитуда возбуждаемой плазменной волны и, как следствие, увеличивается темп ускорения. При достаточно высоких интенсивностях плазменная волна становится нелинейной и, в конце концов, обрушается. При этом возможно возникновение сильно нелинейного режима распространения лазерного импульса в плазме - так называем пузырьковый (или баббл-) режим, в котором позади лазерного импульса образуется полость, похожая на пузырёк, практически полностью лишённая электронов. В этой полости также имеется продольное электрическое поле, способное эффективно ускорять электроны.

В нелинейном режиме взаимодействия максимально достигнутая энергия составила 1,45 ГэВ на трассе длиной 1,3 см. В эксперименте использовался лазерный импульс мощностью 110 ТВт .

См. также

Примечания

Литература

Научная

G. Mourou , T. Tajima, S. V. Bulanov Relativistic optics (англ.) // Rev Mod Phys . - 2006. - Т. 78. - С. 309-371.
В. С. Беляев, В. П. Крайнов, В. С. Лисица, А. П. Матафонов Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями (рус.) // УФН . - 2009. - Т. 178. - С. 823.
E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators (англ.) // Rev Mod Phys . - 2009. - Т. 81. - С. 1229-1284.
K. Krushelnick, V. Malka Laser wakefield plasma accelerators (англ.) // Laser & Photon Rev . - 2009. - Т. 4. - С. 42-52.
А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов, А. М. Сергеев Горизонты петаваттных лазерных комплексов // УФН . - 2011. - Т. 181. - С. 9-32.

Научно-популярная

Л. М. Горбунов Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы? // Природа . - 2007. - № 4.
В. Ю. Быченков Пятьдесят лет лазеру. Новый шаг - ускоритель на столе // Наука и жизнь . - 2010. - № 12.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Лазерное ускорение ионов
Ослепление лётчиков лазерами

Смотреть что такое "Лазерное ускорение электронов" в других словарях:

Лазерное ускорение ионов - Лазерное ускорение ионов процесс ускорения ионного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Обычно процесс ускорения производится при облучении твердотельной мишени, однако существуют схемы ускорения ионов и в газовых мишенях.… … Википедия

Лазерное излучение - (действие на вещество) Высокая мощность Л. и. в сочетании с высокой направленностью позволяет получать с помощью фокусировки световые потоки огромной интенсивности. Наибольшие мощности излучения получены с помощью твердотельных Лазеров на …

Кильватерное ускорение - Схематическое изображение ускорения электронов в плазменной волне. Кильв … Википедия

Техасский петаваттный лазер - (англ. Texas Petawatt Laser) проект сверхмощной лазерной установки в Техасском университете в Остине, рассчитанной на получение лазерных импульсов мощностью до 1,3 ПВт. В 2008 году было получено излучение мощностью 1,1 ПВт, что… … Википедия

Физика высоких плотностей энергии - Физика высоких плотностей энергий (англ. High Energy Density Physics, HED Physics) раздел физики на стыке физики конденсированного состояния и физики плазмы, занимающийся изучением систем, имеющих высокую плотность энергии. Под высокой … Википедия

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ - в низкотемпературной плазме (волны ионизации), области с различной (постоянной или слабо меняющейся) концентрацией заряж. ч ц, разделённые узкой поверхностью раздела фронтом волны. На фронте волны происходит резкий скачок концентрации заряж. ч ц… … Физическая энциклопедия

Физика - I. Предмет и структура физики Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… … Большая советская энциклопедия

ПЛАЗМА - частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положит. и отрицат. зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое в во испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать темп ру и дальше, резко усилится процесс термич.… … Физическая энциклопедия

ТЯЖЁЛЫХ ИОНОВ УСКОРИТЕЛИ - мощные ускорит. установки, предназначенные для получения интенсивных пучков тяжёлых ионов (элементов тяжелее лития) в широком диапазоне масс и энергий. Использование пучков ускоренных тяжелых ионов стало в кон. 20 в. осн. методом исследований в… … Физическая энциклопедия

ФИЗИКА. - ФИЗИКА. 1. Предмет и структура физики Ф. наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств … Физическая энциклопедия

Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, а также к области лазерной физики и может быть использовано для разработки ускорителей заряженных частиц принципиально нового типа. При осуществлении способа лазерного ускорения электронный пучок инжектируют перпендикулярно оси лазерного луча произвольной интенсивности, обладающего комбинированной поляризацией электромагнитного поля, причем инжекцию осуществляют со стороны круговой поляризации поля так, чтобы смена круговой поляризации на линейную происходила во время прохождения ускоряемым электроном центральной части лазерного луча. Устройство для осуществления данного способа состоит из лазера, формирователя ускоряющего поля и инжектора электронов. Лазер выполнен двухчастотным с одинаковой интенсивностью линейно поляризованных лучей на частотах 1 и 2, причем поляризации лучей ортогональны друг другу и разность частот ( 1 - 2)V o /r o . где V 0 - средняя скорость электрона, r 0 - радиус луча, а формирователь выполнен в виде смесителя, совмещающего оба излучения в один луч, и лазерного усилителя этого луча. Технический результат - увеличение эффективности лазерных ускорителей электронов без существенной пространственной модуляции пучка электронов. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, а также к области лазерной физики и может быть использовано для разработки ускорителей заряженных частиц принципиально нового типа. Известны способы ускорения заряженных частиц, основанные на возбуждении продольных электрических полей лазерным излучением в докритической плазме . Известны устройства для ускорения заряженных частиц в докритической плазме, представляющие собой плазму, в которой лазерным импульсом возбуждается волна электростатического поля, в которую инжектируется пучок электронов . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ лазерного ускорения электронов , основанный на инжекции электронного пучка непосредственно в лазерный луч. Инжекцию осуществляют вдоль направления распространения лазерного луча (параллельно его оси) в моменты, когда фаза лазерного поля имеет определенные значения, при которых поле ускоряет электроны. Устройство для осуществления указанного способа содержит (фиг. 1): лазер 1, формирователь ускоряющего поля 2 и инжектор электронов 3. Формирователь 2 состоит из призм полного внутреннего отражения 4 и зеркал 5, с помощью которых формируется ускоряющее поле и реализуется схема продольной инжекции - инжекции электронов в область лазерного поля по направлению распространения лазерного луча (фиг. 1). Недостатками всех вышеуказанных способов и устройств являются: - необходимость синхронизации момента инжекции электронов с фазой ускоряющего поля в пределах оптического периода Т 0 , что является сложной технической задачей (практически нереализуемой в настоящее время). В отсутствие же такой синхронизации происходит бунчировка - сильная модуляция плотности электронного пучка. В пространственный размер бунчировки равен z = 0,03 мкм; - ограничение времени (и соответственно длины) взаимодействия электронов с ускоряющим полем интервалом, на котором фаза поля меняется на . После изменения фазы на поле начинает замедлять электроны; - ограничение интенсивности лазерного луча интенсивностью оптического пробоя диэлектрических элементов (призм) формирователя ускоряющего поля, т. к. в продольной схеме инжекции формирование ускоряющего поля и инжекция электронов совмещены в пространстве (фиг. 1) и усиление излучения после формирователя невозможно. Все это приводит к сильной модуляции плотности электронного пучка и ограничению эффективности ускорения электронов. Целью изобретения является увеличение эффективности лазерного ускорения пучка электронов без его существенной пространственной модуляции. Эта цель достигается тем, что при осуществлении способа лазерного ускорения электронов инжекцию электронного пучка осуществляют перпендикулярно оси лазерного луча произвольной интенсивности, обладающего комбинированной поляризацией электромагнитного поля, причем инжекцию осуществляют со стороны круговой поляризации поля так, чтобы смена круговой поляризации на линейную происходила во время прохождения ускоряемым электроном центральной части лазерного луча. При этом в устройстве, реализующем данный способ, лазер выполнен двухчастотным с одинаковой интенсивностью линейно поляризованных лучей на частотах 1 и 2 , причем поляризации лучей ортогональны друг другу и разность частот ( 1 - 2) V 0 /r 0 , где V 0 - средняя скорость электрона, r 0 - радиус луча, а формирователь выполнен в виде смесителя, совмещающего оба излучения в один луч, и лазерного усилителя этого луча. Положительным эффектом настоящего изобретения является то, что предлагаемый способ и устройство для лазерного ускорения электронов обеспечивают: - рост эффективности лазерного ускорения электронов за счет снятия ограничений на увеличение интенсивности лазерного излучения; - существенное расширение диапазона моментов инжекции, при которых происходит ускорение электронов, что позволяет практически реализовать синхронную инжекцию электронного пучка в лазерный луч (или избежать бунчировки - разбиения электронного пучка на короткие сгустки); - эффективное взаимодействие электронов с лазерным излучением на всей длине их взаимодействия. Изобретение поясняется фиг. 2, где изображена схема реализующего способ устройства лазерного ускорения электронов, и примером, иллюстрирующим работоспособность устройства при использовании существующих лазерных элементов. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Пучок электронов инжектируют в лазерный луч перпендикулярно его оси. При пересечении лазерного луча на электрон действуют пондеромоторные силы F p , направление которых определяется знаком пространственного градиента интенсивности излучения I(r) в лазерном луче (r - координата в направлении, перпендикулярном оси лазерного луча). На стадии влета электрона в лазерный луч градиент интенсивности излучения направлен по скорости электрона и пондеромоторные силы замедляют электрон, а при вылете, наоборот, ускоряют электрон. Предлагаемый способ основан на зависимости пондеромоторных сил от поляризации электромагнитного поля . Для круговой поляризации поля пондеромоторные силы меньше, чем для линейной . Поэтому для ускорения электронов (после прохождения ими лазерного луча) поляризация излучения на стадии влета электрона в луч должна быть круговой, а на стадии вылета - линейной (для замедления электронов - наоборот), т.е. используют двухполяризационный лазерный луч. Пондеромоторная сила F p не зависит от фазы лазерного поля, поэтому в предлагаемом способе момент инжекции электрона в лазерный луч может меняться в широких пределах (не требуется точной временной синхронизации с определенным значением фазы лазерного поля) и бунчировка электронного пучка не происходит. Кроме того, отсутствие зависимости процесса ускорения электронов от фазы поля в предлагаемом способе снимает ограничения на время и длину взаимодействия электронов с ускоряющим излучением. Поперечная схема инжекции (перпендикулярно оси лазерного луча) позволяет также использовать лазерный луч произвольной интенсивности. Если в продольной схеме инжекции формирование ускоряющего поля и инжекция электронов совмещены в пространстве (см. прототип - фиг. 1), то в предлагаемом способе двухполяризационный "ускоряющий" луч формируют независимо. До инжекции в него электронного пучка этот луч можно усилить в лазерном усилителе, что увеличивает эффективность лазерного ускорения электронов. Устройство (фиг. 2), реализующее описанный выше способ лазерного ускорения электронов, состоит из следующих основных элементов: лазера 6, формирователя ускоряющего поля 7, который состоит из смесителя 8 и усилителя 9, а также инжектора электронов 3. Лазер выполнен двухчастотным с одинаковой интенсивностью линейно поляризованных лучей на частотах 1 и 2 , причем поляризации лучей ортогональны друг другу, а разность частот ( 1 - 2)V 0 /r 0 , где V 0 - средняя скорость электрона, r 0 - радиус луча (фиг.2). Двухчастотный лазер конструктивно выполнен в виде стандартного параметрического генератора света (ПГС), работающего на нелинейном кристалле с синхронизмом II типа . Смеситель 8 содержит обычные отражающие и полупрозрачные оптические пластинки для совмещения двух оптических лучей в один луч, а усилитель 9 является лазерным усилителем излучения. Устройство функционирует следующим образом: двухчастотный лазер 6 и смеситель 8 формируют двухполяризационный лазерный луч, который усиливают до необходимой интенсивности усилителем 9. В таком луче, который является смесью двух полей на разных частотах, поляризованных линейно и ортогонально друг другу, поляризация электромагнитного поля меняется во времени , причем смена круговой поляризации на линейную (или наоборот) происходит за время t 0 ~1/( 1 - 2). (1) Разность 1 и 2 двухчастотного лазера 1 настраивают так, чтобы на стадии влета электрона (от периферии пучка, откуда влетает электрон, до его центральной части вблизи оси луча (ось 0 на фиг. 2)) поле обладало круговой (к) поляризацией, а на стадии вылета электрона (от центральной части луча до его периферии в другую сторону) - линейной (л) поляризацией. При этом время t 0 будет соответствовать времени пролета электроном расстояния r 0 от периферии лазерного луча до его центральной части t 0 = r 0 /V 0 , (2)
где V 0 - средняя поступательная скорость электрона, с которой он пересекает лазерный луч. Электроны инжектируют в лазерный луч в моменты t in , когда разность фаз составляющих полей равна
= ( 1 - 2)t in /2, (3)
что соответствует круговой поляризации поля. Так как ( 1 - 2) 1,2 , то допустимый разброс моментов инжекции t in существенно превышает оптический период T 0 = 2/ 1,2:
t in ~ 1/( 1 - 2) (4)
и жесткие требования к синхронизации момента инжекции электронов с фиксированной фазой ускоряющего поля (как в случае прототипа) отсутствуют. При настройке двухчастотного лазера, соответствующей условиям (1) - (3), вылет электрона из лазерного луча (когда градиент его интенсивности направлен против скорости 0 и пондеромоторные силы ускоряют электрон) происходит в моменты t out , когда
= ( 1 - 2)t out , (5)
т. е. при линейной поляризации поля (фиг. 2). Поскольку при линейной поляризации поля пондеромоторные силы, действующие на электрон, больше, чем при круговой поляризации (4), то электрон в целом ускоряется лазерным лучом. Пример. Пусть электрон инжектируют в двухполяризационный лазерный луч радиуса r 0 100 мкм и скорость V 0 10 9 см/с. Тогда из (1) и (2) следует, что разность частот составляющих полей должна быть ( 1 - 2)~10 11 Гц (сами же частоты 1,2 ~10 14 Гц, что соответствует лазерному излучению на длине волны ~1 мкм). При этом, как следует из (4), разброс моментов инжекции t in 10 -11 c, что существенно превышает длительность оптического периода лазерного излучения: t in /T 0 ~ 10 3 -10 4 . Это означает снижение на 3-4 порядка требований к точности момента инжекции электронного пучка в лазерный луч, что позволяет практически реализовать синхронную инжекцию электронов. Если же инжекцию осуществляют в произвольные моменты времени, то предлагаемый способ и устройство обеспечивают существенное увеличение длины z пространственной модуляции электронного пучка. В рассмотренном выше примере z 100 мкм, т.е. гораздо больше, чем z 0,03 мкм в прототипе . Таким образом, предложен способ лазерного ускорения электронов и устройство для его осуществления, характеризующиеся по сравнению с известными более эффективным преобразованием лазерной энергии в кинетическую энергию электронного пучка без его существенной пространственной модуляции. Литература:
1. T. Tajima, J.M. Dawson. Laser electron accelerator. Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979). 2. C.E. Clayton, K.A. Marsh, A. Dyson, M. Everett, A. Lal, W.P. Leemans, R. Williams, C. Joshi. Ultrahighgradient acceleration of injected electrons by laser-excited relativistic electron plasma waves. Phys. Rev. Lett. 70, 37 (1993). 3. Y.C. Huang, R.L. Byer. A proposed high-gradient laser-driven electron accelerator using crossed cylindrical laser focusing. Appl. Phys. Lett. 70, 2175 (1996) (прототип). 4. V.D. Taranukhin. Relativistic ponderomotive forces in electromagnetic field of arbitrary strength. 8 th International Laser Physics Workshop LPhys"99 (Budapest, Hungary, July 2-6, 1999). Book of Abstracts, pp. 104-105. 5. Ф. Цернике, Дж. Мидвинтер. Прикладная нелинейная оптика. Москва, Мир, 1976 (глава 7). 6. E. Constant, V.D. Taranukhin, A. Stolow, P.B. Corkum. Methods for the measurement of the duration of high-harmonic pulses. Phys. Rev., A 56, 3870 (1997).

Формула изобретения

1. Способ лазерного ускорения электронов, основанный на инжекции электронного пучка непосредственно в лазерный луч, отличающийся тем, что инжекцию электронного пучка осуществляют перпендикулярно оси лазерного луча произвольной интенсивности, обладающего комбинированной поляризацией электромагнитного поля, причем инжекцию осуществляют со стороны круговой поляризации поля так, чтобы смена круговой поляризации на линейную происходила во время прохождения ускоряемым электроном центральной части лазерного луча. 2. Устройство для лазерного ускорения электронов, содержащее лазер, формирователь ускоряющего поля и инжектор электронов, отличающееся тем, что лазер выполнен двухчастотным с одинаковой интенсивностью линейно поляризованных лучей на частотах 1 и 2, причем поляризации лучей ортогональны друг другу и разность частот ( 1 - 2)V o /r o, где V 0 - средняя скорость электрона, r 0 - радиус луча, а формирователь выполнен в виде смесителя, совмещающего оба излучения в один луч, и лазерного усилителя этого луча.

Что и в начале, то есть требуется проводить ускорение в сильносфокусированных полях, в которых существенна продольная составляющая электрического поля , но в таких полях фазовая скорость волны вдоль оси распространения больше скорости света , поэтому электроны быстро отстают от ускоряющего поля. Чтобы компенсировать последний эффект предлагалось проводить ускорение в газе , где относительная диэлектрическая проницаемость выше единицы, и фазовая скорость уменьшается. Однако в этом случае существенным ограничением является то, что уже при интенсивностях излучения порядка 10 14 Вт/см² газ ионизируется , образуя плазму , что приводит к дефокусировке лазерного пучка. Экспериментально таким методом была продемонстрирована модуляция в 3,7 МэВ пучка электронов, имевших энергию 40 МэВ .

Ускорение в плазменной волне

Экспериментально в линейном режиме взаимодействия был получен пучок электронов, ускоренный до энергий порядка 1 ГэВ на трассе длиной 3 см. Для компенсации дифракционной расходимости лазерного импульса в этом случае дополнительно использовался волновод в виде тонкого капилляра . Увеличение мощности лазерного импульса до уровня петаватта позволило повысить энергию электронов до 2 ГэВ . Дальнейшее увеличение энергии электронов было достигнуто за счёт разделения процессов их инжекции в ускоряющую плазменную волну и собственно процесса ускорения. Этим методом в 2011 году были получены электроны с энергией около 0,5 ГэВ , а в 2013 году был превышен уровень 3 ГэВ, причём общая длина ускорительного канала составила всего 1,4 см (4 мм - инжекционный этап, 1 см - ускорительный этап) . В 2014 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли были получены первые экспериментальные результаты по ускорению электронов в капилляре длиной 9 см при помощи лазера BELLA . В этих экспериментах было продемонстрировано ускорение до энергии, превышающей 4 ГэВ, лазерным импульсом мощностью 0,3 ПВт, что стало новым рекордом .

См. также

Напишите отзыв о статье "Лазерное ускорение электронов"

Примечания

R. Joel England et al. Rev. Mod. Phys. DOI :10.1103/RevModPhys.86.1337 .
E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall (англ.) // Phys. Rev. E . - 1995. - Vol. 52 . - P. 5443 .
T. Tajima, J. M. Dawson (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 1979. - Vol. 43 . - P. 267 .
W. P. Leemans et al. (англ.) // Nature Physics . - 2006. - Vol. 2 . - P. 696-699 .
Xiaoming Wang et al. (англ.) // Nature Communications . - 2013. - Vol. 4 . - P. 1988 .
B. B. Pollock et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2011. - Vol. 107 . - P. 045001 .
Hyung Taek Kim et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2013. - Vol. 111 . - P. 165002 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.111.165002 . - arXiv :1307.4159 .
W. P. Leemans et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2014. - Vol. 113 . - P. 245002 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.113.245002 .
C. E. Clayton et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2010. - Vol. 105 . - P. 105003 .

Литература

Научная

E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans (англ.) // Rev. Mod. Phys. . - 2009. - Vol. 81 . - P. 1229-1284 .
K. Krushelnick, V. Malka (англ.) // Laser & Photon Rev. . - 2009. - Vol. 4 . - P. 42-52 .
А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов , А. М. Сергеев // УФН . - 2011. - Т. 181 . - С. 9-32 .
V. Malka Laser plasma accelerators (англ.) // Phys. Plasmas . - 2012. - Vol. 19 . - P. 055501 . - DOI :10.1063/1.3695389 .
S. M. Hooker Developments in laser-driven plasma accelerators (англ.) // Nature Photonics . - 2013. - Vol. 7 . - P. 775–782 . - DOI :10.1038/nphoton.2013.234 .
R. Joel England et al. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . - 2014. - Vol. 86. - P. 1337. - DOI :10.1103/RevModPhys.86.1337 .
И. Ю. Костюков, A. M. Пухов (рус.) // УФН . - 2015. - Т. 185 . - С. 89 . - DOI :10.3367/UFNr.0185.201501g.0089 .

Научно-популярная

Л. М. Горбунов // Природа . - 2007. - № 4 .
В. Ю. Быченков // Наука и жизнь . - 2010. - № 12 .

Отрывок, характеризующий Лазерное ускорение электронов

Приехав в Петербург, Пьер никого не известил о своем приезде, никуда не выезжал, и стал целые дни проводить за чтением Фомы Кемпийского, книги, которая неизвестно кем была доставлена ему. Одно и всё одно понимал Пьер, читая эту книгу; он понимал неизведанное еще им наслаждение верить в возможность достижения совершенства и в возможность братской и деятельной любви между людьми, открытую ему Осипом Алексеевичем. Через неделю после его приезда молодой польский граф Вилларский, которого Пьер поверхностно знал по петербургскому свету, вошел вечером в его комнату с тем официальным и торжественным видом, с которым входил к нему секундант Долохова и, затворив за собой дверь и убедившись, что в комнате никого кроме Пьера не было, обратился к нему:
– Я приехал к вам с поручением и предложением, граф, – сказал он ему, не садясь. – Особа, очень высоко поставленная в нашем братстве, ходатайствовала о том, чтобы вы были приняты в братство ранее срока, и предложила мне быть вашим поручителем. Я за священный долг почитаю исполнение воли этого лица. Желаете ли вы вступить за моим поручительством в братство свободных каменьщиков?
Холодный и строгий тон человека, которого Пьер видел почти всегда на балах с любезною улыбкою, в обществе самых блестящих женщин, поразил Пьера.
– Да, я желаю, – сказал Пьер.
Вилларский наклонил голову. – Еще один вопрос, граф, сказал он, на который я вас не как будущего масона, но как честного человека (galant homme) прошу со всею искренностью отвечать мне: отреклись ли вы от своих прежних убеждений, верите ли вы в Бога?
Пьер задумался. – Да… да, я верю в Бога, – сказал он.
– В таком случае… – начал Вилларский, но Пьер перебил его. – Да, я верю в Бога, – сказал он еще раз.
– В таком случае мы можем ехать, – сказал Вилларский. – Карета моя к вашим услугам.
Всю дорогу Вилларский молчал. На вопросы Пьера, что ему нужно делать и как отвечать, Вилларский сказал только, что братья, более его достойные, испытают его, и что Пьеру больше ничего не нужно, как говорить правду.
Въехав в ворота большого дома, где было помещение ложи, и пройдя по темной лестнице, они вошли в освещенную, небольшую прихожую, где без помощи прислуги, сняли шубы. Из передней они прошли в другую комнату. Какой то человек в странном одеянии показался у двери. Вилларский, выйдя к нему навстречу, что то тихо сказал ему по французски и подошел к небольшому шкафу, в котором Пьер заметил невиданные им одеяния. Взяв из шкафа платок, Вилларский наложил его на глаза Пьеру и завязал узлом сзади, больно захватив в узел его волоса. Потом он пригнул его к себе, поцеловал и, взяв за руку, повел куда то. Пьеру было больно от притянутых узлом волос, он морщился от боли и улыбался от стыда чего то. Огромная фигура его с опущенными руками, с сморщенной и улыбающейся физиономией, неверными робкими шагами подвигалась за Вилларским.
Проведя его шагов десять, Вилларский остановился.
– Что бы ни случилось с вами, – сказал он, – вы должны с мужеством переносить всё, ежели вы твердо решились вступить в наше братство. (Пьер утвердительно отвечал наклонением головы.) Когда вы услышите стук в двери, вы развяжете себе глаза, – прибавил Вилларский; – желаю вам мужества и успеха. И, пожав руку Пьеру, Вилларский вышел.
Оставшись один, Пьер продолжал всё так же улыбаться. Раза два он пожимал плечами, подносил руку к платку, как бы желая снять его, и опять опускал ее. Пять минут, которые он пробыл с связанными глазами, показались ему часом. Руки его отекли, ноги подкашивались; ему казалось, что он устал. Он испытывал самые сложные и разнообразные чувства. Ему было и страшно того, что с ним случится, и еще более страшно того, как бы ему не выказать страха. Ему было любопытно узнать, что будет с ним, что откроется ему; но более всего ему было радостно, что наступила минута, когда он наконец вступит на тот путь обновления и деятельно добродетельной жизни, о котором он мечтал со времени своей встречи с Осипом Алексеевичем. В дверь послышались сильные удары. Пьер снял повязку и оглянулся вокруг себя. В комнате было черно – темно: только в одном месте горела лампада, в чем то белом. Пьер подошел ближе и увидал, что лампада стояла на черном столе, на котором лежала одна раскрытая книга. Книга была Евангелие; то белое, в чем горела лампада, был человечий череп с своими дырами и зубами. Прочтя первые слова Евангелия: «Вначале бе слово и слово бе к Богу», Пьер обошел стол и увидал большой, наполненный чем то и открытый ящик. Это был гроб с костями. Его нисколько не удивило то, что он увидал. Надеясь вступить в совершенно новую жизнь, совершенно отличную от прежней, он ожидал всего необыкновенного, еще более необыкновенного чем то, что он видел. Череп, гроб, Евангелие – ему казалось, что он ожидал всего этого, ожидал еще большего. Стараясь вызвать в себе чувство умиленья, он смотрел вокруг себя. – «Бог, смерть, любовь, братство людей», – говорил он себе, связывая с этими словами смутные, но радостные представления чего то. Дверь отворилась, и кто то вошел.
При слабом свете, к которому однако уже успел Пьер приглядеться, вошел невысокий человек. Видимо с света войдя в темноту, человек этот остановился; потом осторожными шагами он подвинулся к столу и положил на него небольшие, закрытые кожаными перчатками, руки.
Невысокий человек этот был одет в белый, кожаный фартук, прикрывавший его грудь и часть ног, на шее было надето что то вроде ожерелья, и из за ожерелья выступал высокий, белый жабо, окаймлявший его продолговатое лицо, освещенное снизу.
– Для чего вы пришли сюда? – спросил вошедший, по шороху, сделанному Пьером, обращаясь в его сторону. – Для чего вы, неверующий в истины света и не видящий света, для чего вы пришли сюда, чего хотите вы от нас? Премудрости, добродетели, просвещения?
В ту минуту как дверь отворилась и вошел неизвестный человек, Пьер испытал чувство страха и благоговения, подобное тому, которое он в детстве испытывал на исповеди: он почувствовал себя с глазу на глаз с совершенно чужим по условиям жизни и с близким, по братству людей, человеком. Пьер с захватывающим дыханье биением сердца подвинулся к ритору (так назывался в масонстве брат, приготовляющий ищущего к вступлению в братство). Пьер, подойдя ближе, узнал в риторе знакомого человека, Смольянинова, но ему оскорбительно было думать, что вошедший был знакомый человек: вошедший был только брат и добродетельный наставник. Пьер долго не мог выговорить слова, так что ритор должен был повторить свой вопрос.
– Да, я… я… хочу обновления, – с трудом выговорил Пьер.
– Хорошо, – сказал Смольянинов, и тотчас же продолжал: – Имеете ли вы понятие о средствах, которыми наш святой орден поможет вам в достижении вашей цели?… – сказал ритор спокойно и быстро.
– Я… надеюсь… руководства… помощи… в обновлении, – сказал Пьер с дрожанием голоса и с затруднением в речи, происходящим и от волнения, и от непривычки говорить по русски об отвлеченных предметах.
– Какое понятие вы имеете о франк масонстве?
– Я подразумеваю, что франк масонство есть fraterienité [братство]; и равенство людей с добродетельными целями, – сказал Пьер, стыдясь по мере того, как он говорил, несоответственности своих слов с торжественностью минуты. Я подразумеваю…
– Хорошо, – сказал ритор поспешно, видимо вполне удовлетворенный этим ответом. – Искали ли вы средств к достижению своей цели в религии?
– Нет, я считал ее несправедливою, и не следовал ей, – сказал Пьер так тихо, что ритор не расслышал его и спросил, что он говорит. – Я был атеистом, – отвечал Пьер.