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.
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 .
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
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.
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.
Исследование строения вещества на все меньших масштабах требует увеличения энергии зондирующих частиц. В связи с этим основная тенденция, характерная для исследований в области физики высоких энергий, состоит в том, что должны создаваться ускорители частиц до все больших энергий. В современных системах, таких как Большой адронный коллайдер, речь идет об энергиях протонов порядка одного тераэлектронвольта. Эта энергия и определяет пространственный «размер» и массу (энергию) частиц, которую можно посмотреть. Проникновение все дальше вглубь мироздания, к его глубинным основам требует, таким образом, непрерывного увеличения энергии зондирующих частиц.
1. Предельный темп ускорения
Еще в первой трети ХХ века Энрико Ферми сформулировал, какова максимальная энергия электронов, которая может быть получена в земных условиях при использовании для их ускорения принципа линейного ускорения, когда электростатическое поле ускоряет заряженную частицу, например электрон. Оказывается, что это электростатическое поле не может быть бесконечно большим, потому что при определенных напряженностях возникает пробой того, что обычно называют вакуумом: создать идеальный вакуум невозможно, поскольку всегда есть отдельные частицы, которые будут ионизоваться, ускоряться. В конечном счете это приводит к образованию лавины, то есть пробою. Поэтому существует предельный темп ускорения (в МэВ/м или подобных единицах), который можно получить с помощью электростатических ускорителей. Если взять этот темп ускорения, умножить на длину экватора Земли, то получится энергия электронов порядка тераэлектронвольта. Поэтому для современной физики, для будущего ее развития крайне важно создание новых подходов к ускорению частиц. Оказывается, что использование лазеров большой интенсивности может обеспечить действительно огромный темп ускорения и на значительно меньших пространственных длинах позволяет получить огромные энергии ускоряемых частиц.
2. Кильватерная волна
Если у нас есть достаточно разреженная плазма, в которой движется электромагнитный импульс с очень большой интенсивностью поля (так называемой релятивистской интенсивностью поля порядка 1018 и более ватт на квадратный сантиметр), то в определенных условиях движение этого импульса подобно движению моторной лодки по поверхности воды. Когда катер движется по воде, то сзади возникает бурун - не те волны, что расходятся во все стороны под углом, а именно бурун, который бежит за лодкой с ее же скоростью, то есть он не отстает и не догоняет эту лодку. Это так называемая кильватерная волна, известная давно и названная так в силу того, что она возникает в том числе за большими кораблями, в кильватерном следе этого корабля. Она обладает и неприятными особенностями - в частности, она может засасывать другие корабли.
3. Отличие кильватерной волны у лазерного импульса
Оказывается, когда лазерный импульс идет сквозь плазму, сзади него тоже возникает кильватерная волна. Лазерный импульс как бы расталкивает своим электромагнитным полем электроны плазмы. В результате создается область, обедненная отрицательным зарядом, а сзади за этой полостью возникает область, обогащенная отрицательным зарядом. И такая волна электронной плотности и называется кильватерной волной. Она точно так же, как и в случае катера, бежит за лазерным импульсом, лазерный импульс движется в плазме со своей групповой скоростью, а фазовая скорость волны электронной плотности совпадает с групповой скоростью лазерного импульса.
Что это означает? Это означает, что сзади импульса формируется достаточно сильный квазистатический градиент потенциала. Между областью, обедненной электронами, и областью, обогащенной электронами, есть соответствующий потенциал, который быстро движется в плазме. И если некоторый электрон оказывается захваченным такой кильватерной волной, то он начинает ускоряться. Темп этого ускорения может быть огромным, потому что, в отличие от обычных средств, с которыми мы привыкли иметь дело в повседневной жизни, плазма состоит из электронов и ионов. В ней невозможен пробой. Поэтому поля, которые можно создать в такой плазме, огромны. Темп ускорения может достигать десяти в десятой и десяти в двенадцатой электронвольт на сантиметр. Это означает, что на одном сантиметре плазмы можно получить энергию в один гигаэлектронвольт. На полутора метрах можно уже получать тераэлектронвольты, что на Большом адронном коллайдере получается, если я не ошибаюсь, на 17 километрах. Вот разница масштабов двух подходов к ускорению.
4. Эффекты серфинга
Здесь в процессе ускорения есть множество разных интересных эффектов: опрокидывание волны, формирование плазменного пузыря, наконец, фазировка электронов и образование коллимированного пучка почти моноэнергетических электронов. Возьмем, к примеру, такой известный вид спорта, как серфинг. Если у нас есть одиночная огромная волна, на самый ее гребень забирается человек на доске, который дальше скользит вниз по склону этой волны, ускоряясь, и это будет абсолютная аналогия с тем, что происходит с ускорением электронов. Вот эта огромная волна - это та самая кильватерная волна, а впрыснутый электрон - это человек на доске. Он движется вниз по склону, получая огромное ускорение. Более того, опрокидывание электронной волны есть не что иное, как знакомое всем нам образование волн с «барашками» - белыми гребнями.
5. Преимущества лазерно-плазменных ускорителей
В настоящий момент уже получены квазимоноэнергетические пучки электронов с малой расходимостью и достаточно большим зарядом. Их характеристики напрямую можно сравнивать с тем, что получается в линейных ускорителях. Так, энергии электронов достигают полутора-двух гигаэлектронвольт. Это не очень много, но тем не менее это уже то же самое, что и в источниках синхротронного излучения, размер кольца которого порядка сотен метров. То есть лазерно-плазменные ускорители в первую очередь значительно дешевле, значительно проще. Самое важное их преимущество - это размер. Такие лазерно-плазменные ускорители можно ставить в научных лабораториях, чтобы ученым не приходилось приезжать и получать какие-то сеансы работы на крайне дорогих и уникальных ускорительных комплексах. Кроме того, и уже существующие и строящиеся современные лазерные проекты позволяют в ближайшей перспективе говорить об энергии электронов в тераэлектронвольты, то есть о том, что на расстояниях порядка 10 метров или меньше можно будет получить за счет нескольких стадий ускорения энергию частиц в тераэлектронвольт. Конечно, пока речь идет об электронах, а не о протонах, это немного другое, поэтому электронный лазерно-плазменный ускоритель - это не совсем Большой адронный коллайдер. Тем не менее это уже энергия того же порядка, что получают в лучших современных электронных ускорителях.
Таким образом, концепция лазерно-плазменного ускорения выглядит на настоящий момент крайне привлекательной, и очевидно, что эта технология имеет огромное будущее и с точки зрения многочисленных приложений, и с точки зрения фундаментальной физики.
