Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Новая технология для плазменных ускорителей

Физики установили новый мировой рекорд для плазменных ускорителей, разогнав электроны до энергии 7,8 ГэВ в трубке длиной всего 20 сантиметров.

Международный коллектив исследователей, работающий в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли (США), разработал новый метод ускорения электронов с помощью лазера в плазменном ускорителе. Для этого использовали не один, как обычно, а два лазерных импульса. Первый лазерный импульс нагревал плазму и «сверлил» в ней канал, а второй ускорял электроны в полученном канале.

Схематическое изображение плазменной волны и разделения зарядов, порождаемого лазерным импульсом – драйвером. Электроны показаны шариками (рисунок из статьи).
Трехмерная визуализация плазменных волн (синие), возбуждаемых петаваттным лазерным импульсом (красный), ускоряемые сгустки электронов названы «Bunches». (Фото: Carlo Benedetti/Berkeley Lab)
Снимок профиля электронной плотности в плазменном канале. (Фото: Gennadiy Bagdasarov/Keldysh Institute of Applied Mathematics; Anthony Gonsalves and Jean-Luc Vay/Berkeley Lab)
Различные поколения сапфировых трубок, используемых для генерации и удержания плазмы, а также для ускорения электронов. 20-сантиметровая трубка, использованная в последних экспериментах, изображена слева. (Фото: Marilyn Chung/Berkeley Lab)

Используя такой подход, исследователи установили новый мировой рекорд для ускорителей подобного типа: в плазменной трубке длиной всего 20 сантиметров они ускорили электроны до энергии 7,8 ГэВ (миллиардов электронвольт). Обычным ускорителям частиц, даже самым современным, для этого требуются сотни метров.

В исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, участвовали физики из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН и Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Ускорители частиц – незаменимые инструменты во многих областях науки, промышленности и медицины. Обычные ускорители используют в резонаторах электромагнитные колебания радиодиапазона, чтобы разгонять пучки электрически заряженных частиц. В настоящее время эта технология хорошо развита и производит высококачественные пучки частиц, но ускорители высоких энергий требуют много места и денег.

Лазерное плазменное ускорение основано на другом принципе. Через плазму пропускают интенсивный лазерный импульс, называемый драйвером. Как корабль на воде, он создаёт на своем пути волны в плазме. Электроны катаются на них, словно сёрфингисты. Драйвер, двигаясь сквозь плазму, сдвигает легкие электроны, в то время как тяжелые ионы остаются почти неподвижными. Благодаря такому разделению частиц за драйвером образуются волны плотности заряда с огромной напряжённостью электрического поля. Плазменные волны способны разогнать следующие за драйвером в нужной фазе частицы значительно быстрее, чем лучшие обычные ускорители. Такой метод получил название кильватерного ускорения по ассоциации с кильватерным следом – возмущением, создаваемым в воде движущимся кораблем. И хотя ещё предстоит решить множество проблем, метод обещает значительно более дешевые и компактные ускорители, а также их новые сферы применения.

Чем мощнее лазерный импульс, тем сильнее ускорение. В данном случае экспериментаторы использовали невероятно интенсивные и короткие лазерные импульсы «драйвера» с пиковой мощностью около 850 триллионов Ватт и длительностью около 35 фемтосекунд (10-15 с). Такая пиковая мощность эквивалентна одновременному включению около 8,5 триллионов 100-ваттных лампочек!

Однако простого создания больших плазменных волн оказалось недостаточно для очень сильного ускорения. Необходимо было создать эти волны по всей длине 20-сантиметровой сапфировой трубки, в которой происходил процесс ускорения. А для этого был необходим плазменный канал диаметром в десятки микрометров, который бы ограничивал лазерный импульс почти так же, как оптоволоконный кабель. В отличие от обычного оптического волокна, плазменный канал способен выдерживать сверхинтенсивные лазерные импульсы, необходимые для ускорения электронов. Но не всё так просто: в предыдущих попытках лазер терял свою фокусировку и повреждал сапфировую трубку.

В эксперименте 2014 года для создания плазменного канала использовался электрический разряд, но он не обладал нужными свойствами для перехода к более высоким энергиям. Решение проблемы было вдохновлено идеей 1990-х годов об использовании лазерного импульса для нагрева плазмы и формирования канала.

Большую роль в исследовании сыграло численное моделирование лазерно-плазменных взаимодействий, которым занимались специалисты Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН и их чешские коллеги из проекта ELI-Beamlines. Оно позволило понять, как добиться желаемого результата, а в дальнейшем подскажет, что делать дальше.

Этот результат лаборатории Беркли исследователи считают важной вехой для лазерных плазменных ускорителей. Он не только устанавливает рекорд, но и презентует новую технологию, открывающую новые возможности для работы. Оптимизация метода сможет повысить энергию новой техники ускорения плазмы до 10 ГэВ и выше. Хотя плазменные ускорители не способны ускорять столько частиц, сколько обычные ускорители, они могут обеспечить новые приложения, такие как настольные рентгеновские лазеры и компактные источники света.


По материалам лаборатории Беркли


Автор: Алексей Понятов

Источник: Наука и жизнь (nkj.ru)