Лазерно-плазменный ускоритель нового поколения. Способ лазерного ускорения электронов и устройство для его осуществления Лазерный ускоритель электронов

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.

План:

Введение

• 1 Прямое ускорение лазерным полем
• 2 Ускорение в плазменной волне
• 3 Примечания
Литература
• 5.1 Научная
• 5.1.2 Научно-популярная

Введение

Ла́зерное ускоре́ние электро́нов - процесс ускорения электронного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Возможно как ускорение непосредственно электромагнитным излучением, так и опосредованное ускорение в ленгмюровской волне, возбуждаемой лазерным импульсом, распространяющимся в плазме низкой плотности. Данным методом экспериментально получены пучки электронов с энергиями, превышающими 1 ГэВ.

1. 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 .

2. 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 .

3. Примечания

1. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall Laser acceleration of electrons in vacuum - dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.52.5443 (англ.) // Phys. Rev. E . - 1995. - Т. 52. - С. 5443.
2. T. Tajima, J. M. Dawson Laser Electron Accelerator - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.43.267 (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 1979. - Т. 43. - С. 267.
3. W. P. Leemans et al. GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator - www.nature.com/nphys/journal/v2/n10/full/nphys418.html (англ.) // Nature Physics . - 2006. - Т. 2. - С. 696-699.
4. C. E. Clayton et al. Self-Guided Laser Wakefield Acceleration beyond 1 GeV Using Ionization-Induced Injection - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.105003 (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2010. - Т. 105. - С. 105003.

Литература

5.1. Научная

• G. Mourou, T. Tajima, S. V. Bulanov Relativistic optics - rmp.aps.org/abstract/RMP/v78/i2/p309_1 (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 - dx.doi.org/10.3367/UFNr.0178.200808b.0823 // УФН . - 2009. - Т. 178. - С. 823.
• E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators - rmp.aps.org/abstract/RMP/v81/i3/p1229_1 (англ.) // Rev Mod Phys . - 2009. - Т. 81. - С. 1229-1284.
• K. Krushelnick, V. Malka Laser wakefield plasma accelerators - dx.doi.org/10.1002/lpor.200810062 (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 - ufn.ru/ru/articles/2011/1/c/ // УФН . - 2011. - Т. 181. - С. 9-32.

5.1.2. Научно-популярная

• Л. М. Горбунов Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы? - vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/04_07/LASER.HTM // Природа . - 2007. - № 4.
• В. Ю. Быченков Пятьдесят лет лазеру. Новый шаг - ускоритель на столе - www.nkj.ru/archive/articles/18951/ // Наука и жизнь . - 2010. - № 12.

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии . Синхронизация выполнена 19.07.11 11:25:29
Похожие рефераты:

© Горбунов Л.М.

Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы?

Л.М. Горбунов
Леонид Михайлович Горбунов, д.ф.-м.н., проф., гл.научн.сотр. Физического института им.П.Н.Лебедева РАН.

В последние годы созданы лазеры, генерирующие сверхмощные ультракороткие световые импульсы. Во многих странах широким фронтом ведутся исследования распространения таких импульсов и их взаимодействия с веществом. Обнаружены новые физические явления, анализируются возможности использования этих импульсов в разнообразных областях, начиная от ядерной физики и астрофизики и кончая медициной.

В предлагаемой статье читатель сможет познакомиться с новой областью физики, у которой еще нет устоявшегося названия. В публикациях по этой тематике используются различные термины: “сверхсильные лазерные поля”, “ультрамощные лазерные импульсы”, “оптика в релятивистском режиме” и др. Начнем с того, что постараемся разобраться в смысле данных слов.

Что такое “сверхсильные электромагнитные поля”

Лазерные импульсы, о которых ниже будет идти речь, имеют длительность менее 1 пикосекунды (т.е. менее 10 -12 с). Их длина в пространстве составляет менее 300 мкм, что меньше трети миллиметра. Поэтому для характеристики таких импульсов часто используют термин “ультракороткие импульсы”. Длина волны излучения составляет обычно около 1 мкм, и оно относится к инфракрасному диапазону. На длине импульса укладываются десятки - сотни длин волн.

Энергия, которую несет такой импульс, может доходить до сотен джоулей, а мощность - до 10 15 Вт. Эту величину принято называть “петаватт”. Она намного превышает суммарную мощность всех электростанций мира. Поэтому такие импульсы часто называют сверхмощными.

Если такой импульс сфокусировать на площадку с радиусом 10 мкм, то интенсивность излучения (мощность, деленная на площадь площадки) достигнет 3Ч 10 20 Вт/см 2 , а напряженность электрического поля при этом будет порядка 10 12 В/см.

Чтобы понять, насколько велико это поле, сравним его с теми полями, которые существуют внутри атомов. Простейший атом - атом водорода; в нем единственный электрон движется около ядра, в данном случае просто протона. Напряженность электрического поля, благодаря которому эти две частицы удерживаются друг около друга, образуя атом, составляет около 5Ч 10 9 В/см. Для сравнения: пробой такого хорошего изолятора, как слюда, происходит при 2Ч 10 6 В/см.

Таким образом, даже внутриатомные поля, традиционно считавшиеся большими по сравнению с теми, что встречаются в повседневной жизни, оказываются малыми по сравнению с полями, которые возникают при фокусировке ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов. Именно по отношению к таким полям принято использовать термин “сверхсильные”.

Устоявшееся в течение долгого времени представление о том, что внешние поля слабо влияют на атомные системы и могут учитываться как малое возмущение, теряет смысл. Перед наукой возникла реальная проблема развития новых представлений о воздействии таких сверхсильных электромагнитных полей на вещество.

Еще один термин, которым пользуются применительно к таким полям, связан с движением в них одного электрона. Общепринято считать, что в поле линейно поляризованной электромагнитной волны электрон совершает колебательное движение со скоростью, малой по сравнению со скоростью света. По мере того как амплитуда волны увеличивается, возрастает и скорость осцилляций электрона. Для волны с длиной 1 мкм, характерной для таких лазеров, скорость осцилляций электрона становится близкой к скорости света при напряженности поля ~10 11 В/см, что соответствует интенсивности ~2Ч 10 18 Вт/cм 2 . Поэтому распространение света с более высокими интенсивностями требует при рассмотрении движения электронов учета релятивистских эффектов - так родился термин “оптика в релятивистском режиме” (именно под таким названием недавно был опубликован большой обзор ).

СРА-лазеры

Генерация таких мощных коротких световых импульсов стала возможной после создания в 1985 г. американскими учеными лазеров специального типа , получивших теперь название СРА-лазеров. Эти буквы - аббревиатура от английских слов “chirp pulse amplification”, которые можно перевести как “усиление импульса с плавно изменяющейся частотой”. В данных словах заложен принцип работы лазеров. СРА-лазер состоит из четырех блоков: генератор, растяжитель, усилитель и компрессор. Схематически это показано на рис.1.

Рис.1. Принцип работы СРА-лазера. Короткий слабый лазерный импульс из генератора поступает в растяжитель, где его длина возрастает в тысячи раз, а частота излучения плавно изменяется по длине импульса (так называемый чирпированный импульс). Затем импульс проходит через усилитель, увеличивающий его энергию на много порядков. Из усилителя импульс попадает в компрессор, где длительность его уменьшается до начального значения.

Генератор - это обычный импульсный лазер, который создает ультракороткие импульсы малой мощности. Обычно длительность таких импульсов составляет десятки-сотни фемтосекунд. Что касается энергии, которая содержится в импульсе, то она может быть относительно малой, на уровне 10 -6 Дж.

Из генератора такой короткий и слабый импульс поступает в устройство, которое называется “растяжитель”, где он растягивается в тысячи раз. Здесь как раз и закладывается та ключевая особенность лазерного импульса, на которой основана работа СРА-лазеров. Импульс растягивается таким образом, чтобы частота излучения плавно изменялась по его длине. Наглядно это можно представить как гармошку, у которой расстояние между выступами и впадинами изменяется плавно по длине. Импульс с таким распределением частоты излучения называется чирпированным от английского слова “chirp”, которое означает чирикание или щебетание. Изменение длины волны излучения от начала импульса к его концу обычно не столь уж велико и составляет доли процента.

Такой растянутый импульс поступает в усилитель - активную среду, атомы которой находятся в возбужденном состоянии. Проходя через эту среду, импульс переводит их в нормальное, невозбужденное состояние и собирает энергию атомов. В результате энергия импульса возрастает во много раз, хотя плотность энергии (энергия в единице объема) остается достаточно низкой за счет большой длины импульса. Непосредственное усиление короткого импульса привело бы к очень высокой плотности энергии и в результате как к большим искажениям самого импульса, так и к повреждению усилителя.

После этого длинный, чирпированный импульс, обладающий большой энергией, поступает в устройство, которое называется компрессор. Задача последнего состоит в том, чтобы снова сжать импульс до его первоначальной длины. Достигается это за счет эффекта, обратного тому, благодаря которому импульс был растянут.

Теперь остановимся коротко на том, как устроены растяжитель и компрессор.

Рис.2. Устройство растяжителя и компрессора. Различные частотные компоненты, образующие лазерный импульс, отражаются от дифракционной решетки под разными углами. При последующем отражении от второй дифракционной решетки, ориентированной определенным образом относительно первой, импульс либо растягивается (верхний рисунок), либо сжимается (нижний рисунок).

Как для растяжения, так и для сжатия импульса используются устройства, состоящие из двух дифракционных решеток (рис.2). Каждая из решеток представляет из себя стеклянную пластину, покрытую тонким слоем определенного материала, в котором процарапаны тонкие параллельные линии. Ширина линий, а также расстояние между ними составляет порядка 1 мкм. Свет, падающий под углом на такую пластинку, отражается от нее, причем угол отражения зависит от частоты падающего света. Короткий лазерный импульс содержит свет с различными частотами, которые от пластинки отражаются под разными углами. Если отраженный свет направить на другую дифракционную пластинку, ориентированную по отношению к первой определенным образом, то можно добиться того, что путь, проходимый волнами с разной частотой, будет различен. В результате после отражения от второй дифракционной решетки волны с разными частотами придут в одно и тоже место с различной задержкой по времени. При одной ориентации дифракционных решеток друг относительно друга можно таким путем растянуть импульс и из короткого импульса сделать чирпированный длинный импульс, а при другой ориентации - из длинного чирпированного импульса сделать снова короткий.

В настоящее время в мире, видимо, работает около сотни СРА-лазеров. С их помощью исследуются различные физические эффекты, многие из которых уже находят практическое применение. Ниже мы остановимся на некоторых применениях СРА-лазеров.

Лазерное ускорение электронов…

Идея использования лазеров для ускорения электронов в плазме была выдвинута в 1979 г. американскими учеными . Применительно к коротким лазерным импульсам первые аналитические исследования были опубликованы в 1987 г. и в 1988 г. . По сути, лазерное ускорение электронов в плазме очень близко к так называемому коллективному методу ускорению электронов, который разрабатывался в течение многих лет в Харьковском физико-техническом институте под руководством Я.Б.Файнберга. О тех проблемах, с которыми сталкивается традиционная вакуумная ускорительная техника, и о коллективных методах ускорения в плазме можно прочитать в статье, опубликованной в журнале “Природа” ранее .

Рис.3. Распространение короткого лазерного импульса в плазме и возбуждение кильватерных волн. Пунктиром показаны линии пониженной электронной плотности, сплошной - линии повышенной электронной плотности. Стрелка показывает направление распространения лазерного импульса.

Применительно к коротким лазерным импульсам ускорение электронов в плазме можно схематически представить следующим образом. Распространяясь в плазме, импульс выталкивает электроны из той области, где он в данный момент находится (рис.3). Кроме сил со стороны импульса, на электроны действует электрическое поле со стороны ионов плазмы, которые можно считать неподвижными из-за их большей массы. После того, как импульс покинул данную область, на электроны действует только поле разделения зарядов, стремящееся вернуть электроны в их исходное положение. Разогнавшись в этом поле, электроны проскакивают свое начальное положение и начинают колебаться относительно ионов на так называемой плазменной частоте. Поскольку импульс бежит по плазме и все время выталкивает те электроны, которые встречаются на его пути, он все время позади за собой запускает плазменные колебания. При этом начальная фаза этих колебаний различна в разных точках на пути импульса. В результате возбуждается волна разделения зарядов, фаза которой распространяется по плазме со скоростью импульса (так называемая кильватерная волна, рис.4). Электрическое поле этой волны в одной половине периода направлено по направлению распространения импульса, а в другой половине периода - навстречу направлению распространения импульса. Если электрон с начальной скоростью, равной скорости импульса, поместить в ту область плазменной волны, где действующая на него со стороны электрического поля сила направлена по направлению его движения, то электрон, двигаясь вместе с волной, начнет ускоряться. Такой ускоритель получил название “ускоритель на кильватерной волне”. Для релятивистских частиц, скорость которых близка к скорости света, даже маленькое увеличение скорости отвечает большому возрастанию их энергии. В результате ускорения энергия электрона может значительно увеличиться.

Рис.4. Возмущение плотности электронов в кильватерной волне, возбуждаемой лазерным импульсом с длительностью 30 фс и мощностью ~30 ТВт в плазме с плотностью 2.2·10 18 см -3 . По вертикальной оси - радиальная координата, отсчитываемая от оси импульса. По горизонтальной оси - время после прохождения лазерного импульса через данную точку. (По: Matlis N.H., Reed S., Bulanov S.S. et.al. // Nature Physics. 2006. V.2. P.749-753.)

Проведенные во Франции эксперименты показали, что описанный выше механизм ускорения электронов действительно реализуется. Но полученное увеличение энергии электронов оказалось незначительным из-за очень малой длины, на которой это ускорение возникало.

Сначала считалось, что для возбуждения кильватерных волн лучше всего подходят лазерные импульсы с длительностью, близкой к периоду плазменных колебаний, в то время как более длинные импульсы для этой цели не годятся. Но численные расчеты [ - ] и последующие эксперименты показали, что это не так. Лазерный импульс, длина которого значительно превосходит длину плазменной волны, а мощность превышает определенную величину, в процессе распространения в плазме изменяет свою форму (рис.5). Сначала возникает модуляция его амплитуды, а затем он разбивается на последовательность более коротких импульсов с периодом следования, равным плазменному периоду. Этот эффект получил название самомодуляции импульса. Между последовательностью коротких импульсов и плазменными колебаниями возникает резонанс. Каждый последующий короткий импульс увеличивает амплитуду той кильватерной волны, которую возбудил первый короткий импульс. В результате уже внутри лазерного импульса поле плазменной волны становится весьма большим и достигает 10 9 В/см. Часть электронов плазмы при этом захватывается в плазменную волну. Они начинают двигаться вместе с волной и ускоряются до энергии порядка 100 МэВ на длине в несколько миллиметров.

Рис.5. Развитие самомодуляции импульса и его разбиение на цепочку более коротких импульсов. На первоначальном импульсе с плавно изменяющейся в пространстве интенсивностью (левый рисунок) появляется сначала модуляция амплитуды (средний рисунок), а затем он разбивается на цепочку импульсов малой длины (правый рисунок), расстояние между которыми равно длине плазменной волны l p .

Эксперименты, проведенные во Франции, США, Японии, Англии, показали, что в режиме самомодуляции максимальная энергия ускоренных электронов достаточно высока, но энергетический спектр получается очень широким, что является недостатком с точки зрения возможных применений.

В 2004 г. почти одновременно три экспериментальные группы обнаружили новый режим ускорения электронов, при котором энергия доходила до 250 МэВ, а энергетический спектр был достаточно узким. В этом режиме интенсивность лазерного излучения превосходила 10 19 Вт/см 2 , а длина импульса была близка к длине плазменной волны. Силы высокочастотного давления, действующие на электроны плазмы, были столь велики, что сразу позади импульса возникала почти сферическая область, в которой практически не было электронов. Эту область стали называть bubble (пузырь), а сам режим ускорения - bubble-режимом (рис.6). Из плазмы в эту область захватывалось некоторое количество электронов плазмы, которые и ускорялись.

В настоящее время накоплен уже значительный экспериментальный и теоретический материал, достаточный для проектирования и строительства лазерного ускорителя на энергию электронов более 1000 МэВ. Сейчас несколько таких проектов близки к реализации.

Рис.6. Распространение лазерного импульса в bubble-режиме. Сразу сзади за импульсом образуется область, в которой нет электронов (электронный пузырь). В нее захватывается из плазмы маленький электронный сгусток, который ускоряется.

…и ионов

В 2000 г. при облучении тонких фольг высокоинтенсивными (более 10 18 Вт/см 2 ) лазерными импульсами были обнаружены протоны с энергией до 10 МэВ, вылетающие в основном из задней стенки фольги в направлении распространения импульса . Этот результат вызвал большой интерес. Опыты были повторены во многих лабораториях. Максимальная измеренная энергия протонов в некоторых из них достигала 60 МэВ, а их число доходило до 10 12 на один лазерный импульс.

Как возникают протоны с такой высокой энергией? Анализ экспериментальных данных и численные расчеты показали, что под действием лазерного импульса в фольге возникают быстрые электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с ее противоположной стороны. Но далеко улететь они не могут. Их останавливает электрическое поле ионов, оставшихся в фольге. Вблизи задней поверхности мишени образуется отрицательно заряженный слой, состоящий из электронов. Электрическое поле, создаваемое этими электронами, направлено перпендикулярно к поверхности и достигает величины, достаточной для того, чтобы ионизовать атомы, находящиеся на поверхности. Затем, под действием этого же электрического поля, ионы начинает ускоряться. Возникает двойной слой, состоящий из разделенных в пространстве слоев электронов и ионов, который вылетает из мишени. В процессе ускорения энергия от электронов переходит к ионам. Наиболее эффективно ускоряются легкие ионы (протоны), образовавшиеся из атомов водорода, адсорбированного на поверхности фольги (рис.7).

Рис.7. Ускорение ионов (протонов) при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги. Лазерный импульс падает на левую границу фольги, быстрые электроны вылетают через правую границу фольги и ускоряют ионы своим электрическим полем.

Такие источники энергичных ионов уже находят применение в протонной радиографии, когда изображение объекта получают, просвечивая его пучком протонов. Таким методом удается, в частности, определить структуру электрических полей внутри исследуемого объекта. Но наибольшие перспективы лазерные источники быстрых ионов имеют в медицине (онкология). Дело в том, что именно протоны целесообразнее использовать для воздействия на раковые опухали. В настоящее время источниками таких протонов служат различные вакуумные ускорители, весьма громоздкие и дорогие. Высказываются надежды, что лазерные источники окажутся более компактными и дешевыми.

Быстрое зажигание термоядерного синтеза

Работы по управляемому термоядерному синтезу ведутся в основном по двум направлениям. В одном из них реакция ядерного синтеза идет в горячей плазме, удерживаемой магнитным полем (так называемое магнитное удержание). В другом - плазма создается и нагревается настолько быстро, что не успевает разлететься (так называемое инерционное удержание). Для быстрого создания и нагрева плазмы используются лазеры.

Самой простой является схема прямого сжатия и нагрева ядерного топлива. Лазерные пучки направляются со всех сторон на сферическую оболочку, заполненную смесью дейтерия и трития, при слиянии ядер которых и выделяется энергия. Но для того, чтобы реакция началась, температура внутри мишени должна доходить до 10 кэВ (100 млн градусов). Такой гигантской температуры можно достичь, если резко сжать внутреннюю часть мишени (внешняя оболочка при этом разлетится). Если достичь требуемой температуры при достаточно высокой плотности плазмы, то начнется реакция синтеза, и дальше температура будет поддерживаться за счет выделяющейся при этом энергии. В каком-то смысле такая схема напоминает работу дизельного двигателя, где топливо самовоспламеняется за счет его сильного сжатия.

В отличие от дизельного, в обычном бензиновом двигателе топливо сжимается до меньшего давления и поджигается электрическим разрядом (свеча зажигания). Возникает естественная мысль поджечь и ядерную реакцию при умеренном давлении, использовав в качестве своеобразной “свечи” ультракороткий сверхмощный лазерный импульс.

Рис.8. Процесс управляемого лазерного термоядерного синтеза с быстрым поджигом топлива коротким лазерным импульсом. Сначала лазерные пучки сжимают ядерное топливо (а), затем мощный короткий импульс проделывает канал в оболочке (б) и второй импульс ускоряет электроны (в) и поджигает цепную ядерную реакцию (г).

На рис.8 показан принцип работы термоядерного устройства с быстрым поджигом топлива, предложенный в 1994 г. сотрудниками Ливеморской национальной лаборатории США . Сначала сферическая оболочка с ядерным топливом сжимается под действием нескольких лазерных пучков с достаточно длинными импульсами. Когда степень сжатия достигает определенной величины, относительно короткий лазерный импульс (длительность ~10 -10 с), имеющий интенсивность ~10 19 Вт/см 2 , проделывает в оболочке отверстие, через которое вводится в центр мишени короткий импульс с длительностью ~6Ч 10 -12 с и интенсивностью ~10 20 Вт/см 2 . В процессе прохождения через разреженные слои плазмы этот импульс ускоряет электроны до энергии в несколько МэВ, которые и нагревают термоядерное топливо до температуры, необходимой для начала цепной реакции.

К настоящему времени предложено еще несколько схем быстрого поджига ядерной реакции, в частности с использованием энергичных ионов, возникающих при взаимодействии сверхмощных лазерных импульсов с тонкими фольгами.

Осуществление быстрого поджига термоядерной реакции требует проработки многих вопросов, которая в настоящее время ведется в лабораториях Японии, США, Франции, Великобритании и др.

Ядерные реакции в луче лазера

Выше уже упоминалось, что при интенсивности лазерного излучения, превышающей 10 18 Вт/см 2 , скорость движущегося в лазерном поле электрона становится сравнимой со скоростью света. Если интенсивность составляет 3Ч 10 20 Вт/см 2 , то энергия электрона приблизительно равна 5 МэВ. Непосредственно сам электрон с такой энергией не вызывает ядерных реакций, но, пролетая в окрестности ядра, электрон излучает g -кванты с энергией в несколько МэВ. Именно эти g -кванты и взаимодействуют с ядром, вызывая так называемые фотоядерные реакции. Обычно в результате такого взаимодействия g -квант выбивает из ядра нейтрон. Образовавшееся ядро соответствует изотопу исходного элемента и, как правило, через какое-то время распадается. Измеряя характеристики продуктов распада, можно удостовериться в том, что произошла фотоядерная реакция. На рис.9 показана схема эксперимента , результаты которого были опубликованы в 2000 г. К настоящему времени такие фотоядерные реакции, стимулированные мощными лазерными импульсами, наблюдались для многих элементов.

Рис.9. Схема эксперимента по фотоядерным реакциям. Левая фольга из тантала служит для генерации g -квантов. В правой фольге из меди происходит фотоядерная реакция 63 Cu + g ® n + 62 Cu. Изотопы 62 Cu распадаются с выделением позитронов, которые регистрируются.

Другой тип ядерной реакции был реализован в 1998 г. . Лазерный импульс направлялся на специально приготовленную плоскую фольгу толщиной 200 мкм, содержащую атомы дейтерия - изотопа водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Первый достаточно длинный (3Ч 10 -10 с) лазерный импульс ионизовал вещество мишени и образовывал плазму. Второй, более короткий (6Ч 10 -14 с), интенсивный (10 18 Вт/см 2 ) и узкий (диаметр 4.5 мкм) лазерный импульс направлялся на эту плазму, выталкивал в радиальном направлении электроны, образуя оголенные ионы. Оставшись без электронов, одноименно заряженные ионы расталкивались и разлетались (так называемый кулоновский взрыв) (рис.10). При этом они приобретали большую скорость, сталкивались с находящимися вне лазерного фокуса медленными ионами и вызывали реакцию слияния двух ядер дейтерия. В результате последней реакции образовывались нейтроны с энергией 2.45 МэВ, которые регистрировались.

Рис.10. Схема эксперимента по D-D реакции. На мишень из падает сначала лазерный импульс, создающий плазму. Затем падает второй ультракороткий импульс, образующий плазменный канал. Выброшенные в радиальном направлении ионы дейтерия сталкиваются с медленными ионами дейтерия. В результате реакции D + D ® 3 He(0.82 МэВ) + n(2.45 МэВ) возникают нейтроны, которые регистрируются.

Возможность инициирования ядерных реакций с помощью лазеров привлекательна с экологической точки зрения. С помощью фотоядерных реакций долгоживущие радиоактивные элементы могут быть преобразованы в их короткоживущие изотопы.

Синхротронное и субмиллиметровое излучение

Для исследования и диагностики различных веществ необходимо располагать источниками электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне от жесткого рентгена до субмиллиметровых волн. Для этих целей могут быть использованы короткие мощные лазерные импульсы. Здесь мы остановимся на двух областях длин волн - очень короткие волны с длиной менее 10 -8 см (синхротронное излучение) и весьма длинные волны с длиной 10 -2 см (субмиллиметровое излучение), которые могут быть получены при взаимодействии коротких лазерных импульсов с плазмой.

Обычно источником синхротронного излучения служит пучок высокоэнергичных электронов, движущийся в магнитном поле. Создание относительно компактных лазерно-плазменных ускорителей электронов, о которых речь шла выше, откроет новые возможности для традиционного метода генерации синхротронного излучения. Однако есть и другой путь для генерации этого излучения непосредственно в процессе ускорения электронов.

Как уже говорилось выше, мощный короткий импульс, распространяясь в плазме, возбуждает сзади за собой кильватерные волны, которые могут захватывать часть электронов. Захваченные электроны, двигаясь вместе с кильватерной волной, одновременно осциллируют в поперечном направлении на масштабах порядка ширины кильватерной волны. Связанное с этим искривление траектории электрона сопровождается излучением, которое при соответствующей энергии электронов может иметь частоту того же порядка, что и синхротронное излучение.

Короткие лазерные импульсы могут пригодиться и для генерации значительно более низкочастотного излучения, которое применяется для спектроскопии органических материалов. Это излучение относится к субмиллиметровому диапазону, что отвечает терагерцовому интервалу частот (1 ТГц = 10 12 Гц). В плазме с концентрацией около 10 19 см -3 плазменные колебания имеют как раз частоту такого порядка. Но воспользоваться этим совсем не просто. Дело в том, что плазменные колебания не порождают электромагнитного излучения. Поэтому кильватерная волна, возбуждаемая в однородной плазме коротким лазерным импульсом, не должна давать излучения вне плазмы. Однако в первом эксперименте, где были зафиксированы кильватерные волны, наблюдалось излучение на плазменной частоте. Причина неожиданного результата кроется в неоднородности реальной плазмы. Из-за неоднородности плотности возбуждаемые импульсом волны содержат электромагнитную составляющую, покидающую плазму в виде излучения. В другом эксперименте терагерцовое излучение возникало в процессе выхода импульса из плазмы (рис.11).

Рис.11. Пересечение лазерным импульсом границы плазма-вакуум. Неоднородная плазма создается при ионизации фольги лазерным импульсом. Второй ультракороткий лазерный импульс возбуждает в плазме кильватерную волну, в поле которой ускоряются электроны. Проходя через границу плазмы, они создают электромагнитное переходное излучение в терагерцовом диапазоне частот.

Объяснение этому факту авторы видят в том, что вслед за импульсом через границу плазмы проходят маленькие сгустки электронов, захваченные в кильватерную волну. При пересечении границы электронами возникает так называемое переходное электромагнитное излучение. К такому же переходному излучению приводит и пересечение границы плазмы падающим на нее лазерным импульсом. Помимо этого, излучение, подобное известному черенковскому излучению, возникает и в случае распространения лазерного импульса в плазме, помещенной во внешнее магнитное поле. В отличие от обычного черенковского излучения, которое создается заряженными частицами, в данном случае источником излучения служит короткий лазерный импульс.

Создание достаточно мощных источников терагерцового излучения даст надежный инструмент не только для диагностики в биологии и медицине, но и в сфере безопасности для поиска наркотиков и органической взрывчатки.

* * * Создание СРА-лазеров, способных генерировать ультракороткие сверхмощные лазерные импульсы, открыло широкие перспективы для разнообразных исследований. Благодаря относительной дешевизне и умеренным габаритам, эти лазеры появились в последние годы во многих быстро развивающихся в научном отношении странах (Китае, Индии, Корее, Голландии, Греции и др.). Самые мощные лазеры строятся в настоящее время во Франции, Японии, Германии, США.

Интерес к этим лазерам расширяется и связан с двумя факторами. С одной стороны, они позволяют исследовать свойства вещества в сверхсильных электромагнитных полях, когда неприменимы многие традиционные физические представления. С другой стороны, они могут стать тем инструментом, который найдет много разнообразных применений в медицине, экологии, обеспечении безопасности.

Литература

1. Mourou G., Tajima T., Bulanov S.V. // Review of Modern Physics. 2006. V.78. P.309-371.

2. Stricklend D., Mourou G. // Optic Communications. 1985. V.56. P.219-221.

3. Tajima T., Dawson J.M. // Phys. Rev. Lett. 1979. V.43. P.267-271.

4. Горбунов Л.М., Кирсанов В.И. // ЖЭТФ. 1987. Т.93. С.509-518.

5. Sprangle P., Esarey E., Ting A., Joyce G. // Appl. Phys. Lett. 1988. V.53. P.2146-2148.

6. Горбунов Л.М. Ускорители XXI века? // Природа. 1988. №5. С.15-23.

7. Андреев Н.Е., Горбунов Л.М., Кирсанов В.И. и др. //Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.55. С.551-555.

8. Antonsen T., Mora P. // Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. P.2204-2207.

9. Sprangle P., Esarey E., Krall J., Joyce G. // Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. P.2000-2003.

10. Clark E.L., Krushelnick K., Davies J.R. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. P.670-673.

11. Tabak M., Hammer J., Glinsky M.E. et al. // Phys. Plasmas. 1994. V.1. P.1626-1634.

12. Ledingham K.W., Spencer L., McCanny T. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. P.899-902.

13. Pretzler G., Saemann G.A., Pukhov A. et al. // Phys. Rev. E. 1998. V.58. P.1165-1168.

В другую сторону

Если лазер научились использовать для охлаждения материи, точнее, для замедления ее до сверхнизких скоростей, то возникает естественный вопрос: можно ли, напротив, ее ускорить? Ответ положительный, этим занимаются во многих лабораториях мира, в том числе в совместной лаборатории релятивистской лазерной плазмы Физического института имени П.Н. Лебедева и Международного лазерного центра МГУ имени М.В. Ломоносова. Разгоняют здесь не атомы, а ионы и электроны. Остановимся для примера на электронах. Итак, обо всем по порядку.

Почему вообще родилась идея использовать лазеры для ускорения частиц? Существуют же ускорители… почему не обойтись ими? Суть в том, что для ускорения частиц требуются либо сильные поля, либо поля послабее, но на протяженных расстояниях. Природа так устроена, что сильное поле невозможно создать в вакууме, окруженном твердыми предметами. «Как только прикладывается сильное поле, все, из чего состоит любая конструкция, ионизуется. Вырываются электроны, идет лавина, возникает пробой. В таких условиях никакие эксперименты не пойдут», - поясняет главный научный сотрудник ФИАН Валерий Быченков, занимающийся проблемами лазерного ускорения заряженных частиц. Иное дело плазма - среда, состоящая из ионизованных частиц. Она уже по определению может выдержать сильные поля, а лазер в состоянии создать и поля, и саму плазму. Иными словами, ускорять частицы здесь можно на маленьких масштабах. Первая такая идея появилась 30 лет назад, но подходящие лазеры появились только ближе к концу XX века, и это направление стало интенсивно развиваться.

Итак, для лазерного ускорителя нужны лазер и облако газа. Проходя сквозь газ, мощный импульс лазерного луча выталкивает на своем пути электроны. Можно достичь такого режима, что позади импульса образуется область, практически полностью лишенная отрицательно заряженных частиц («дырка»).

«Именно в этой области, - говорит Быченков, - можно наиболее эффективно ускорять электроны. Дырка движется за лазерным импульсом. В обратном направлении ее обтекают вытолкнутые лазером электроны. Те, что попадут внутрь, - ускорятся».

Ученые называют возникающую структуру bubble (пузырь - англ.). Она и вправду похожа на пузырь - без электронов внутри, с «пленкой» из электронов снаружи. Но ускориться могут только те электроны, которые попадут в сам «пузырь». Именно с изящным методом внедрения таких электронов связано научное достижение теоретической группы ФИАН, возглавляемой Валерием Быченковым. Они предложили схему, с помощью которой в итоге был достигнут принципиально новый уровень энергий электронов - 1,5 ГэВ (до этого весь мир много лет «топтался» на уровне, не превосходящем 1 ГэВ).

Задумка российских ученых состояла в следующем. Обычно в качестве рабочего вещества плазмы берут гелий: он очень легко ионизуется лазером. И в этом проблема: «кончик», или, лучше сказать, передний фронт лазерного импульса имеет небольшую интенсивность, но все равно «сдувает» все электроны с атомов гелия, и большинство из них уходит далеко от «пузыря».

Фиановцы предложили использовать газ потяжелее, например азот или кислород, энергия полной ионизации которых выше.

То есть часть легких электронов с внешних оболочек атома уйдет с передним фронтом, а часть останется и дождется пика лазерного импульса. Он их тоже «сдует», но пойдут они уже совсем по другим траекториям, попадая в «пузырь» и в нем ускоряясь.

Дальше нужен был эксперимент, и российские физики нашли его, уже готовый, - только, увы, в Мичиганском университете (США). Однако американцы не сразу поверили ученым из России: ведь если в плазме применять атомы газов с большим числом электронов, это мешает распространению лазерного луча.

Тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс на сапфире с титаном МЛЦ МГУ. На нем проводятся, в частности, эксперименты по лазерному ускорению заряженных частиц. Фото Григория Головина, Игната Соловья, STRF.ru

«Американцы хотели работать с гелием, - вспоминает Быченков. - Приходят они утром на работу, включают лазер с гелием и наблюдают ускорение электронов. А ближе к ланчу картинка исчезает. Получается анекдот: чем исследователи голоднее, тем меньше у них шансов получить электроны. Вечером они расстроенные уходят домой, утром возвращаются, включают установку, получают электроны…. те ближе к обеду исчезают. И так всю дорогу… Выяснилось: когда установка вечером выключалась, все капилляры и патрубки заполнялись воздухом. Утром в системе был якобы «гелий», а на самом деле и более тяжелые элементы - азот и кислород. Затем трубки наполнялись чистым гелием, и… как говорится, смотрите выше. Иными словами, тяжелые элементы надо было брать в небольшом количестве, тогда это на распространение лазерного света не повлияет - что, собственно, и хотелось попробовать с самого начала, и что, собственно, и получилось в эксперименте само собой».

В конце концов все это интересная физика, но лазерный ускоритель - не просто красивая игрушка. С его помощью можно создавать специальные источники рентгеновского и гамма-излучения. Конечно, для рентгена легких они не подойдут, но ими, в частности, можно проводить проверку любого контейнера с радиоактивными материалами без его вскрытия. Обычно без дополнительных исследований нельзя сказать, что в нем находится. Однако если контейнер облучить из источника, основанного на ускоренных лазером частицах, то можно «пробежать» по целому спектру гамма-излучения, и на какой-то длине волны радиоактивный материал обязательно отзовется, а это позволит определить его природу.

Как ускорение, так и замедление частиц с помощью лазера - это сравнительно новые области исследований. И можно не только найти им какие-то применения, но и дойти до таких экстремальных состояний, которые никаким другим образом получить нельзя. А ведь, как уже говорилось в начале, именно в экстремальных состояниях рождается действительно новое в науке. В частности, при охлаждении атомов это конденсат Бозе-Эйнштейна. Лазерное ускорение пока не достигло столь «экстремальных» успехов. Но ученые надеются, что, ускоряя лазером уже протоны, смогут достичь гигантских значений магнитного поля в узких областях пространства - до 1 млн тесла (для сравнения: мировой рекорд для постоянного магнитного поля - всего несколько десятков тесла, а поля в атомах не превышают 10 тысяч тесла). Предсказать, что это откроет для физики, мы, конечно же, не возьмемся - предоставим это читателю. Для затравки лишь добавим, что поля именно такого порядка существуют в очень любопытных объектах нашей Вселенной - нейтронных звездах, имеющих гигантскую плотность до 10 18 кг/м 3 .