Jaunas paaudzes lāzera-plazmas paātrinātājs. Elektronu lāzerpaātrinājuma metode un ierīce tās ieviešanai Lāzera elektronu paātrinātājs

Izgudrojums attiecas uz lādētu daļiņu paātrināšanas jomu, kā arī uz lāzerfizikas jomu, un to var izmantot, lai izstrādātu principiāli jauna tipa uzlādētu daļiņu paātrinātājus. Īstenojot lāzera paātrinājuma metodi, elektronu stars tiek ievadīts perpendikulāri patvaļīgas intensitātes lāzera stara asij, kam ir kombinēta elektromagnētiskā lauka polarizācija, un injekcija tiek veikta no lauka cirkulārās polarizācijas puses. lai pāreja no apļveida polarizācijas uz lineāru notiktu paātrinātā elektrona ejot cauri lāzera stara centrālajai daļai. Ierīce šīs metodes ieviešanai sastāv no lāzera, paātrinātāja lauka veidotāja un elektronu inžektora. Lāzers ir divfrekvences ar vienādu lineāri polarizētu staru intensitāti pie frekvencēm 1 un 2, un staru polarizācijas ir viena pret otru ortogonālas un frekvenču starpība ir (1 - 2)V o /r o . kur V 0 ir elektrona vidējais ātrums, r 0 ir stara rādiuss, un veidotājs ir izgatavots kā maisītājs, kas apvieno starojumu vienā starā, un šī stara lāzera pastiprinātājs. Tehniskais rezultāts ir lāzera elektronu paātrinātāju efektivitātes pieaugums bez būtiskas elektronu stara telpiskās modulācijas. 2 sp.f-ly, 2 ill.

Izgudrojums attiecas uz lādētu daļiņu paātrināšanas jomu, kā arī uz lāzerfizikas jomu, un to var izmantot, lai izstrādātu principiāli jauna tipa uzlādētu daļiņu paātrinātājus. Ir zināmas metodes uzlādētu daļiņu paātrināšanai, pamatojoties uz garenisko elektrisko lauku ierosmi ar lāzera starojumu subkritiskā plazmā. Ir zināmas ierīces, kas paātrina lādētas daļiņas subkritiskajā plazmā, kas ir plazma, kurā elektrostatiskā lauka vilnis tiek ierosināts ar lāzera impulsu, kurā tiek ievadīts elektronu stars. Tehniskajā būtībā vistuvākā piedāvātajai metodei ir elektronu lāzera paātrināšanas metode, kuras pamatā ir elektronu stara ievadīšana tieši lāzera starā. Injekciju veic pa lāzera stara izplatīšanās virzienu (paralēli tā asij) brīžos, kad lāzera lauka fāzei ir noteiktas vērtības, kurās lauks paātrina elektronus. Ierīce šīs metodes ieviešanai satur (1. att.): lāzeru 1, paātrinātāja lauka formētāju 2 un elektronu inžektoru 3. Formētājs 2 sastāv no kopējās iekšējās atstarošanas prizmām 4 un spoguļiem 5, ar kuru palīdzību tiek izveidots paātrinājuma lauks. tiek veidota un gareninjekcijas - injekcijas shēma tiek realizēta elektroni lāzera lauka reģionā lāzera stara izplatīšanās virzienā (1. att.). Visu augstāk minēto metožu un ierīču trūkumi ir: - nepieciešamība sinhronizēt elektronu iesmidzināšanas momentu ar paātrinājuma lauka fāzi optiskā perioda T 0 ietvaros, kas ir sarežģīts tehnisks uzdevums (šobrīd praktiski neiespējami realizēt). Ja šādas sinhronizācijas nav, notiek saķeršanās - spēcīga elektronu stara blīvuma modulācija. Savienojuma telpiskais izmērs ir z = 0,03 µm; - elektronu mijiedarbības laika (un attiecīgi garuma) ierobežošana ar paātrinājuma lauku ar intervālu, kurā lauka fāze mainās uz . Pēc fāzes maiņas lauks sāk palēnināt elektronus; - lāzera stara intensitātes ierobežošana ar paātrinājuma lauka veidotāja dielektrisko elementu (prizmu) optiskā sadalījuma intensitāti, jo gareniskās injekcijas shēmā paātrinājuma lauka veidošanās un elektronu injekcija tiek apvienota telpā ( 1) un starojuma pastiprināšana pēc formētāja nav iespējama. Tas viss noved pie spēcīgas elektronu stara blīvuma modulācijas un ierobežo elektronu paātrinājuma efektivitāti. Izgudrojuma mērķis ir palielināt elektronu stara lāzera paātrinājuma efektivitāti bez tā būtiskas telpiskās modulācijas. Šis mērķis tiek sasniegts ar to, ka, ieviešot elektronu lāzera paātrināšanas metodi, elektronu stara iesmidzināšana tiek veikta perpendikulāri patvaļīgas intensitātes lāzera stara asij, kam ir kombinēta elektromagnētiskā lauka polarizācija, un injekcija tiek veikta no lauka cirkulārās polarizācijas puses, lai pāreja no apļveida polarizācijas uz lineāru notiktu paātrinātā elektrona pārejas laikā no lāzera stara centrālās daļas. Turklāt ierīcē, kas īsteno šo metodi, lāzers ir divfrekvences ar tādu pašu lineāri polarizētu staru intensitāti frekvencēs 1 un 2, un staru polarizācijas ir ortogonālas viena pret otru un frekvenču starpība ir (1 - 2 ) V 0 /r 0, kur V 0 ir vidējais ātruma elektrons, r 0 ir stara rādiuss, un formētājs ir izgatavots kā maisītājs, kas apvieno starojumu vienā starā, un tā lāzera pastiprinātājs. staru kūlis. Šī izgudrojuma pozitīvā ietekme ir tāda, ka piedāvātā metode un ierīce elektronu lāzera paātrināšanai nodrošina: - elektronu lāzera paātrināšanas efektivitātes paaugstināšanos, atceļot ierobežojumus lāzera starojuma intensitātes palielināšanai; - ievērojams iesmidzināšanas momentu diapazona paplašināšana, kurā notiek elektronu paātrinājums, kas ļauj praktiski īstenot elektronu stara sinhrono ievadīšanu lāzera starā (vai izvairīties no saķeršanās - elektronu stara sadalīšanu īsos saišķos); - efektīva elektronu mijiedarbība ar lāzera starojumu visā to mijiedarbības garumā. Izgudrojums ir ilustrēts attēlā. 2, kurā parādīta lāzera elektronu paātrinājuma ierīces diagramma, kas īsteno metodi, un piemērs, kas ilustrē ierīces darbību, izmantojot esošos lāzera elementus. Piedāvātā metode tiek veikta šādi. Lāzera starā perpendikulāri tā asij tiek ievadīts elektronu stars. Šķērsojot lāzera staru, uz elektronu iedarbojas ponderomotīves spēki F p , kuru virzienu nosaka starojuma intensitātes telpiskā gradienta zīme I(r) lāzera starā (r ir perpendikulāra virziena koordināte pret lāzera stara asi). Elektronu iekļūšanas stadijā lāzera starā starojuma intensitātes gradients tiek virzīts pa elektrona ātrumu, un ponderomotīves spēki palēnina elektronu, bet izejot, gluži pretēji, tie paātrina elektronu. Piedāvātā metode ir balstīta uz ponderomotīves spēku atkarību no elektromagnētiskā lauka polarizācijas. Lauka apļveida polarizācijai ponderomotīves spēki ir mazāki nekā lineārajai polarizācijai. Tāpēc, lai paātrinātu elektronus (pēc tam, kad tie iziet cauri lāzera staram), starojuma polarizācijai elektronu iekļūšanas starā stadijā jābūt apļveida, bet izlidošanas stadijā - lineārai (lai palēninātu elektronus - otrādi), t.i. izmantojiet dubultpolarizācijas lāzera staru. Ponderomotīves spēks F p nav atkarīgs no lāzera lauka fāzes, tāpēc piedāvātajā metodē elektronu ievadīšanas moments lāzera starā var mainīties plašās robežās (precīza laika sinhronizācija ar noteiktu lāzera lauka fāzes vērtību nav nepieciešama) un elektronu staru kūļa saķeršanās nenotiek. Turklāt, ja ierosinātajā metodē nav elektronu paātrinājuma procesa atkarības no lauka fāzes, tiek novērsti ierobežojumi elektronu mijiedarbības laikam un garumam ar paātrinošo starojumu. Šķērsvirziena injekcijas shēma (perpendikulāri lāzera stara asij) ļauj izmantot arī patvaļīgas intensitātes lāzera staru. Ja gareninjekcijas shēmā paātrinājuma lauka veidošanās un elektronu iesmidzināšana tiek apvienota telpā (skat. prototipu - 1. att.), tad piedāvātajā metodē patstāvīgi tiek veidots duālās polarizācijas "paātrinošais" stars. Pirms elektronu stara ievadīšanas tajā šo staru var pastiprināt lāzera pastiprinātājā, kas palielina elektronu lāzera paātrinājuma efektivitāti. Ierīce (2. att.), kas realizē iepriekš aprakstīto elektronu lāzera paātrināšanas metodi, sastāv no šādiem galvenajiem elementiem: lāzera 6, paātrinātāja lauka veidotāja 7, kas sastāv no miksera 8 un pastiprinātāja 9, kā arī elektronu inžektors 3. Lāzers ir divfrekvences ar vienādas intensitātes lineāri polarizētiem stariem frekvencēs 1 un 2, un staru polarizācijas ir ortogonālas viena pret otru, un frekvenču starpība ir (1 - 2)V 0 /r 0 , kur V 0 ir elektrona vidējais ātrums, r 0 ir stara rādiuss (2. att.). Divfrekvenču lāzers ir strukturāli izstrādāts standarta parametriskā gaismas oscilatora (POLO) formā, kas darbojas uz nelineāra kristāla ar II tipa fāzes saskaņošanu. Mikseris 8 satur parastās atstarojošas un caurspīdīgas optiskās plāksnes divu optisko staru apvienošanai vienā starā, un pastiprinātājs 9 ir lāzera starojuma pastiprinātājs. Ierīce darbojas šādi: divfrekvenču lāzers 6 un mikseris 8 veido dubultpolarizācijas lāzera staru, ko līdz vajadzīgajai intensitātei pastiprina pastiprinātājs 9. Šādā starā, kas ir divu dažādu lauku maisījums. frekvences, polarizētas lineāri un ortogonāli viena pret otru, elektromagnētiskā lauka polarizācija laika gaitā mainās, un pāreja no apļveida polarizācijas uz lineāru (vai otrādi) notiek laikā t 0 ~1/(1 - 2). (1) Divfrekvences lāzera 1 starpība 1 un 2 ir noregulēta tā, lai elektronu ierašanās stadijā (no stara perifērijas, no kurienes elektrons lido, līdz tā centrālajai daļai pie stara ass (ass 0 in 2)) laukam ir cirkulāra (k) polarizācija , bet elektronu emisijas stadijā (no stara centrālās daļas līdz tā perifērijai otrā virzienā) - lineāra (l) polarizācija. Šajā gadījumā laiks t 0 atbildīs laikam, kas nepieciešams elektronam, lai veiktu attālumu r 0 no lāzera stara perifērijas līdz tā centrālajai daļai t 0 = r 0 /V 0, (2)
kur V 0 ir elektrona vidējais translācijas ātrums, ar kādu tas šķērso lāzera staru. Elektroni tiek ievadīti lāzera starā momentos t in, kad komponentu lauku fāžu starpība ir vienāda ar
= (1–2)t in /2, (3)
kas atbilst lauka cirkulārajai polarizācijai. Tā kā ( 1 - 2) 1,2 pieļaujamā iesmidzināšanas momentu izkliede t in ievērojami pārsniedz optisko periodu T 0 = 2/ 1,2:
t in ~ 1/( 1 - 2) (4)
un nepastāv stingras prasības elektronu iesmidzināšanas momenta sinhronizēšanai ar fiksētu paātrinājuma lauka fāzi (kā prototipa gadījumā). Uzstādot divfrekvences lāzeru, kas atbilst nosacījumiem (1) - (3), elektrona emisija no lāzera stara (kad tā intensitātes gradients ir vērsts pret ātrumu 0 un ponderomotīves spēki paātrina elektronu) notiek momentos t out. , kad
= (1 - 2)t ārā , (5)
i., ar lauka lineāro polarizāciju (2. att.). Tā kā ar lauka lineāro polarizāciju ponderomotīves spēki, kas iedarbojas uz elektronu, ir lielāki nekā ar apļveida polarizāciju (4), elektronu kopumā paātrina lāzera stars. Piemērs. Ļaujiet, lai elektrons tiktu ievadīts dubultpolarizācijas lāzera starā ar rādiusu r 0 100 μm un ātrumu V 0 10 9 cm/s. Tad no (1) un (2) izriet, ka komponentu lauku frekvenču atšķirībai jābūt (1 - 2) ~ 10 11 Hz (pašas frekvences ir 1,2 ~ 10 14 Hz, kas atbilst lāzera starojumam pie a. viļņa garums ~ 1 μm) . Šajā gadījumā, kā izriet no (4), injekcijas laiku izkliede ir t 10 -11 s, kas ievērojami pārsniedz lāzera starojuma optiskā perioda ilgumu: t in /T 0 ~ 10 3 -10 4 . Tas nozīmē elektronu stara iesmidzināšanas lāzera starā momenta precizitātes prasību samazinājumu par 3-4 kārtām, kas ļauj praktiski īstenot elektronu sinhrono ievadīšanu. Ja injekcija tiek veikta patvaļīgos laikos, tad piedāvātā metode un ierīce nodrošina ievērojamu elektronu stara telpiskās modulācijas garuma z palielināšanos. Iepriekš apskatītajā piemērā z ir 100 µm, t.i. daudz lielāks nekā prototipa z 0,03 µm. Līdz ar to ir piedāvāta elektronu lāzera paātrināšanas metode un tās ieviešanas iekārta, kurai, salīdzinot ar zināmajām, raksturīga efektīvāka lāzera enerģijas pārvēršana elektronu stara kinētiskajā enerģijā bez tās nozīmīgas telpiskās modulācija. Literatūra:
1. T. Tadžima, J.M. Dawson. Lāzera elektronu paātrinātājs. Fizik. Rev. Lett. 43, 267 (1979). 2. C.E. Kleitons, K.A. Māršs, A. Daisons, M. Everets, A. Lals, V. P. Līmanss, R. Viljamss, K. Džoši. Injicēto elektronu īpaši augsts paātrinājums ar lāzera ierosinātiem relatīvistiskiem elektronu plazmas viļņiem. Fizik. Rev. Lett. 70, 37 (1993). 3. Y.C. Huangs, R.L. Bērs. Ierosināts augsta gradienta lāzera vadīts elektronu paātrinātājs, izmantojot šķērsotu cilindrisku lāzera fokusēšanu. Appl. Fizik. Lett. 70, 2175 (1996) (prototips). 4.V.D. Taraņuhins. Relatīvistiskie ponderomotīves spēki patvaļīga stipruma elektromagnētiskajā laukā. 8th International Laser Physics Workshop LPhys"99 (Budapešta, Ungārija, 2.-6.07.1999). Book of Abstracts, 104.-105.lpp. 5. F. Zernike, J. Midwinter. Applied nonlinear optics. Moscow, Mir, 1976 (7. nodaļa) 6. E. Constant, A. Stolow, P. B. Corkum.

Pretenzija

1. Elektronu lāzera paātrināšanas metode, kuras pamatā ir elektronu stara ievadīšana tieši lāzera starā, kas raksturīga ar to, ka elektronu stara iesmidzināšana tiek veikta perpendikulāri patvaļīgas intensitātes lāzera stara asij. kombinēta elektromagnētiskā lauka polarizācija, un injekcija tiek veikta no lauka cirkulārās polarizācijas puses tā, lai cirkulārās polarizācijas maiņa uz lineāro polarizāciju notiktu paātrinātā elektrona šķērsošanas laikā caur lāzera stara centrālo daļu. 2. Ierīce elektronu lāzera paātrināšanai, kas satur lāzeru, paātrinātāja lauka veidotāju un elektronu inžektoru, kas raksturīga ar to, ka lāzeram ir divfrekvences ar vienādu lineāri polarizētu staru intensitāti pie frekvencēm 1 un 2 un polarizāciju stari ir ortogonāli viens pret otru un frekvenču starpība ( 1 - 2 )V o /r o, kur V 0 ir elektrona vidējais ātrums, r 0 ir stara rādiuss, un veidotājs ir izgatavots formā mikseris, kas apvieno gan starojumu vienā starā, gan šī stara lāzera pastiprinātājs.

Plāns:

Ievads

• 1 Tiešs paātrinājums ar lāzera lauku
• 2 Paātrinājums plazmas vilnī
• 3 Piezīmes
Literatūra
• 5.1 Zinātniski
• 5.1.2 Populārā zinātne

Ievads

Elektronu lāzera paātrinājums- elektronu stara paātrināšanas process, izmantojot īpaši spēcīgu lāzera starojumu. Ir iespējams gan paātrinājums tieši ar elektromagnētisko starojumu, gan netiešs paātrinājums Langmuir viļņā, ko ierosina lāzera impulss, kas izplatās zema blīvuma plazmā. Šī metode ir eksperimentāli radījusi elektronu starus, kuru enerģija pārsniedz 1 GeV.

1. Tiešs paātrinājums ar lāzera lauku

Tiešs paātrinājums ar lāzera lauku ir neefektīvs, jo strikti viendimensijas uzdevumā elektronam, kas nonāk lāzera impulsa laukā, pēc tā iziešanas, ir tāda pati enerģija kā sākumā, tas ir, ir nepieciešams veikt paātrinājums augsti fokusētos laukos, kuros elektriskā lauka gareniskā komponente ir nozīmīga, bet šādos laukos viļņa fāzes ātrums pa izplatīšanās asi ir lielāks par gaismas ātrumu, tāpēc elektroni ātri atpaliek no paātrinājuma lauka. Lai kompensētu pēdējo efektu, tika ierosināts veikt paātrinājumu gāzē, kur relatīvā dielektriskā konstante ir lielāka par vienību un fāzes ātrums samazinās. Taču šajā gadījumā būtisks ierobežojums ir tas, ka jau pie starojuma intensitātes 10 14 W/cm² gāze tiek jonizēta, veidojot plazmu, kas noved pie lāzera stara defokusēšanas. Eksperimentāli šī metode demonstrēja 3,7 MeV elektronu stara modulāciju ar 40 MeV enerģiju.

2. Paātrinājums plazmas vilnī

Gāzē izplatoties pietiekami intensīvam lāzera impulsam, tas jonizējas, veidojoties nelīdzsvarotai plazmai, kurā lāzera starojuma ponderomotīves efekta dēļ ir iespējams ierosināt tā saukto nomoda vilni – Langmuir vilni, kas virzās pēc. pulss. Šim vilnim ir fāzes, kurās gareniskais elektriskais lauks paātrinās elektroniem, kas pārvietojas kopā ar vilni. Tā kā gareniskā viļņa fāzes ātrums ir vienāds ar lāzera impulsa grupas ātrumu plazmā, kas ir tikai nedaudz mazāks par gaismas ātrumu, relatīvistiskie elektroni var diezgan ilgu laiku palikt paātrinātā fāzē, iegūstot ievērojamu enerģiju. . Šī elektronu paātrināšanas metode pirmo reizi tika ierosināta 1979. gadā.

Palielinoties lāzera impulsa intensitātei, palielinās ierosinātā plazmas viļņa amplitūda un līdz ar to palielinās paātrinājuma ātrums. Pie pietiekami augstas intensitātes plazmas vilnis kļūst nelineārs un galu galā sabrūk. Šajā gadījumā ir iespējams ļoti nelineārs lāzera impulsa izplatīšanās režīms plazmā - tā sauktais burbuļu (vai burbuļu) režīms, kurā aiz lāzera impulsa veidojas burbulim līdzīgs dobums, kurā gandrīz pilnībā nav elektronu. Šajā dobumā ir arī gareniskais elektriskais lauks, kas var efektīvi paātrināt elektronus.

Eksperimentāli lineārās mijiedarbības režīmā tika iegūts elektronu stars, kas paātrināts līdz 1 GeV enerģijām uz 3 cm gara ceļa, lai kompensētu lāzera impulsa difrakcijas novirzi, šajā gadījumā viļņvada formā. papildus tika izmantots plāns kapilārs.

Nelineārās mijiedarbības režīmā sasniegtā maksimālā enerģija bija 1,45 GeV uz 1,3 cm gara ceļa Eksperimentā tika izmantots lāzera impulss ar jaudu 110 TW.

3. Piezīmes

1. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall Elektronu lāzera paātrinājums vakuumā — dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.52.5443 (angļu valodā) // Fizik. Rev. E. - 1995. - T. 52. - P. 5443.
2. T. Tadžima, J. M. Dosons Lāzera elektronu paātrinātājs — dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.43.267 (angļu valodā) // Fizik. Rev. Lett.. - 1979. - T. 43. - 267. lpp.
3. W. P. Leemans et al. GeV elektronu stari no centimetru mēroga paātrinātāja — www.nature.com/nphys/journal/v2/n10/full/nphys418.html (angļu valodā) // Dabas fizika. - 2006. - T. 2. - P. 696-699.
4. C. E. Clayton et al. Pašvadāms lāzera veikfīlda paātrinājums virs 1 geV, izmantojot jonizācijas izraisītu injekciju — dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.105003 (angļu valodā) // Fizik. Rev. Lett.. - 2010. - T. 105. - P. 105003.

Literatūra

5.1. Zinātniski

• G. Morū, T. Tadžima, S. V. Bulanovs Relativistiskā optika — rmp.aps.org/abstract/RMP/v78/i2/p309_1 (angļu valodā) // Rev Mod Phys. - 2006. - T. 78. - P. 309-371.
• V. S. Beļajevs, V. P. Krainovs, V. S. Lisica, A. P. MatafonovsĀtri uzlādētu daļiņu un īpaši spēcīgu magnētisko lauku ģenerēšana ultraīsu intensīvu lāzera impulsu mijiedarbības laikā ar cietiem mērķiem - dx.doi.org/10.3367/UFNr.0178.200808b.0823 // UFN. - 2009. - T. 178. - P. 823.
• E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans Ar lāzeru darbināmu plazmas elektronu paātrinātāju fizika — rmp.aps.org/abstract/RMP/v81/i3/p1229_1 (angļu valodā) // Rev Mod Phys. - 2009. - T. 81. - P. 1229-1284.
• K. Krušelniks, V. Malka Lāzera veikfīlda plazmas paātrinātāji — dx.doi.org/10.1002/lpor.200810062 (angļu valodā) // Laser & Photon Rev. - 2009. - T. 4. - P. 42-52.
• A. V. Koržimanovs, A. A. Gonoskovs, E. A. Hazanovs, A. M. Sergejevs Petavatu lāzera kompleksu horizonti - ufn.ru/ru/articles/2011/1/c/ // UFN. - 2011. - T. 181. - P. 9-32.

5.1.2. Populārā zinātne

• L. M. Gorbunovs Kāpēc ir nepieciešami īpaši spēcīgi lāzera impulsi? - vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/04_07/LASER.HTM // Daba. - 2007. - № 4.
• V. Ju Bičenkovs Piecdesmit lāzera gadi. Jauns solis - akselerators uz galda - www.nkj.ru/archive/articles/18951/ // Zinātne un dzīve. - 2010. - № 12.

lejupielādēt
Šis kopsavilkums ir balstīts uz rakstu no krievu Vikipēdijas. Sinhronizācija pabeigta 07/19/11 11:25:29
Līdzīgi kopsavilkumi:

© Gorbunov L.M.

Kāpēc ir nepieciešami īpaši spēcīgi lāzera impulsi?

L.M. Gorbunovs
Leonīds Mihailovičs Gorbunovs, Fizikālo un matemātikas zinātņu doktors, prof., galvenais pētnieks Fiziskais institūts nosaukts P.N. Ļebedeva RAS vārdā.

Pēdējos gados ir radīti lāzeri, kas ģenerē īpaši jaudīgus ultraīsus gaismas impulsus. Daudzās valstīs tiek veikti plaši pētījumi par šādu impulsu izplatīšanos un to mijiedarbību ar vielu. Ir atklātas jaunas fizikālās parādības un tiek analizētas šo impulsu izmantošanas iespējas dažādās jomās, sākot no kodolfizikas un astrofizikas līdz medicīnai.

Šajā rakstā lasītājs varēs iepazīties ar jaunu fizikas jomu, kurai vēl nav noteikta nosaukuma. Publikācijās par šo tēmu tiek lietoti dažādi termini: “īpaši spēcīgi lāzera lauki”, “īpaši jaudas lāzera impulsi”, “optika relativistiskajā režīmā” utt. Sāksim ar mēģinājumu saprast šo vārdu nozīmi.

Kas ir “īpaši spēcīgi elektromagnētiskie lauki”

Lāzera impulsu, kas tiks apspriesti turpmāk, ilgums ir mazāks par 1 pikosekundi (t.i., mazāk nekā 10–12 s). To garums kosmosā ir mazāks par 300 mikroniem, kas ir mazāks par trešdaļu no milimetra. Tāpēc šādu impulsu raksturošanai bieži lieto terminu “īpaši īsi impulsi”. Starojuma viļņa garums parasti ir aptuveni 1 mikrons, un tas pieder pie infrasarkanā diapazona. Impulsa garums satur desmitiem līdz simtiem viļņu garumu.

Šāda impulsa pārnēsātā enerģija var sasniegt simtiem džoulu, un jauda var sasniegt 10–15 W. Šo vērtību parasti sauc par "petavatu". Tā krietni pārsniedz visu pasaules elektrostaciju kopējo jaudu. Tāpēc šādus impulsus bieži sauc par superspēcīgiem.

Ja šāds impulss tiek fokusēts uz apgabalu ar rādiusu 10 μm, tad starojuma intensitāte (jauda dalīta ar laukuma laukumu) sasniegs 3H 10 20 W/cm 2 un elektriskā lauka stiprums būs 10 12 V/cm.

Lai saprastu, cik liels ir šis lauks, salīdzināsim to ar laukiem, kas pastāv atomos. Vienkāršākais atoms ir ūdeņraža atoms; tajā viens elektrons pārvietojas tuvu kodolam, šajā gadījumā tikai protonam. Elektriskā lauka stiprums, kura dēļ šīs abas daļiņas tiek turētas viena otras tuvumā, veidojot atomu, ir aptuveni 5H 10 9 V/cm. Salīdzinājumam: tāda laba izolatora kā vizla noārdīšanās notiek pie 2H 10 6 V/cm.

Tādējādi pat intraatomiskie lauki, kas tradicionāli tiek uzskatīti par lieliem salīdzinājumā ar tiem, ar kuriem saskaras ikdienā, izrādās mazi salīdzinājumā ar laukiem, kas rodas, fokusējot ultraīsus, īpaši jaudīgus lāzera impulsus. Tieši attiecībā uz šādām jomām parasti tiek lietots termins “superspēcīgs”.

Ilgu laiku iedibinātā ideja, ka ārējie lauki vāji iedarbojas uz atomu sistēmām un to var uzskatīt par nelielu traucējumu, zaudē savu nozīmi. Zinātne saskaras ar reālu problēmu izstrādāt jaunas idejas par šādu īpaši spēcīgu elektromagnētisko lauku ietekmi uz vielu.

Vēl viens termins, kas tiek lietots saistībā ar šādiem laukiem, ir saistīts ar viena elektrona kustību tajos. Ir vispāratzīts, ka lineāri polarizēta elektromagnētiskā viļņa laukā elektrons iziet svārstību kustību ar ātrumu, kas ir mazs salīdzinājumā ar gaismas ātrumu. Palielinoties viļņa amplitūdai, palielinās arī elektrona svārstību ātrums. Šādiem lāzeriem raksturīgajam vilnim ar garumu 1 mikrons elektronu svārstību ātrums kļūst tuvs gaismas ātrumam pie lauka intensitātes ~10 11 V/cm, kas atbilst intensitātei ~2H 10 18 W /cm2. Tāpēc gaismas izplatībai ar lielāku intensitāti, apsverot elektronu kustību, ir jāņem vērā relatīvistiskie efekti - tā radās termins "optika relatīvistiskajā režīmā" (tieši ar šo nosaukumu nesen tika publicēts liels pārskats).

CPA lāzeri

Šādu spēcīgu īsu gaismas impulsu ģenerēšana kļuva iespējama pēc tam, kad 1985. gadā amerikāņu zinātnieki izveidoja īpašu lāzera veidu, ko tagad sauc par CPA lāzeriem. Šie burti ir saīsinājums no angļu valodas vārdiem “chirp pulse amplification”, ko var tulkot kā “impulsa pastiprināšanu ar vienmērīgi mainīgu frekvenci”. Šajos vārdos ir ietverts lāzeru darbības princips. CPA lāzers sastāv no četriem blokiem: ģeneratora, nestuvēm, pastiprinātāja un kompresora. Tas shematiski parādīts 1. att.

1. att. CPA lāzera darbības princips. Īss, vājš lāzera impulss no ģeneratora nonāk nestuvēs, kur tā garums palielinās tūkstošiem reižu, un starojuma frekvence vienmērīgi mainās visā impulsa garumā (tā sauktais čirkstošais impulss). Pēc tam impulss iet caur pastiprinātāju, kas palielina tā enerģiju par daudzām kārtām. No pastiprinātāja impulss nonāk kompresorā, kur tā ilgums tiek samazināts līdz sākotnējai vērtībai.

Ģenerators ir parasts impulsu lāzers, kas rada ultraīsus, mazjaudas impulsus. Parasti šādu impulsu ilgums ir no desmitiem līdz simtiem femtosekundēm. Kas attiecas uz impulsā esošo enerģiju, tā var būt salīdzinoši maza, 10-6 J līmenī.

No ģeneratora tik īss un vājš impulss nonāk ierīcē, ko sauc par "nestuvēm", kur tas tiek izstiepts tūkstošiem reižu. Tieši šī ir galvenā lāzera impulsa iezīme, uz kuras balstās CPA lāzeru darbība. Impulss tiek izstiepts tā, lai starojuma frekvence vienmērīgi mainītos visā tā garumā. To var vizuāli attēlot kā akordeonu, kurā attālums starp izvirzījumiem un padziļinājumiem vienmērīgi mainās visā garumā. Impulsu ar šādu starojuma frekvences sadalījumu sauc par čirkstošu, no angļu valodas vārda “chirp”, kas nozīmē čivināt vai čivināt. Radiācijas viļņa garuma izmaiņas no impulsa sākuma līdz tā beigām parasti nav tik lielas un veido procentuālo daļu.

Šāds pagarināts impulss nonāk pastiprinātājā - aktīvā vidē, kuras atomi atrodas ierosinātā stāvoklī. Izejot caur šo vidi, impulss tos pārnes normālā, nesatrauktā stāvoklī un savāc atomu enerģiju. Rezultātā impulsa enerģija daudzkārt palielinās, lai gan enerģijas blīvums (enerģija uz tilpuma vienību) paliek diezgan zems garā impulsa garuma dēļ. Īsa impulsa tieša pastiprināšana radītu ļoti lielu enerģijas blīvumu, kas radītu gan lielus paša impulsa izkropļojumus, gan pastiprinātāja bojājumus.

Garais, augstas enerģijas čivinātais impulss pēc tam tiek ievadīts ierīcē, ko sauc par kompresoru. Pēdējā uzdevums ir atkal saspiest impulsu tā sākotnējā garumā. Tas tiek panākts, pateicoties efektam, kas ir pretējs tam, kura dēļ impulss tika izstiepts.

Tagad īsumā apskatīsim, kā ir izstrādātas nestuves un kompresors.

2. att. Nestuves un kompresora iekārta. Dažādās frekvences sastāvdaļas, kas veido lāzera impulsu, tiek atspoguļotas no difrakcijas režģa dažādos leņķos. Pēc sekojošas atstarošanas no otrā difrakcijas režģa, kas noteiktā veidā orientēts attiecībā pret pirmo, impulss tiek vai nu izstiepts (augšējais attēls), vai saspiests (apakšējais attēls).

Gan impulsa stiepšanai, gan saspiešanai izmanto ierīces, kas sastāv no diviem difrakcijas režģiem (2. att.). Katrs no režģiem ir stikla plāksne, kas pārklāta ar plānu noteikta materiāla kārtu, kurā ir ieskrāpētas plānas paralēlas līnijas. Līniju platums, kā arī attālums starp tām ir aptuveni 1 μm. Gaisma, kas krīt uz šādas plāksnes leņķī, tiek atstarota no tās, un atstarošanas leņķis ir atkarīgs no krītošās gaismas frekvences. Īss lāzera impulss satur gaismu ar dažādām frekvencēm, kas atstarojas no plāksnes dažādos leņķos. Ja atstarotā gaisma tiek novirzīta uz citu difrakcijas plāksni, kas noteiktā veidā orientēta attiecībā pret pirmo, tad ir iespējams nodrošināt, ka ceļš, ko veic viļņi ar dažādām frekvencēm, būs atšķirīgs. Rezultātā pēc atstarošanas no otrās difrakcijas režģa viļņi ar dažādām frekvencēm ieradīsies vienā un tajā pašā vietā ar dažādu laika aizkavi. Ar vienu difrakcijas režģu orientāciju vienam pret otru, ir iespējams šādi izstiept impulsu un no īsa impulsa izveidot garu impulsu, bet ar citu orientāciju no gara čivināta impulsa atkal izveidot īsu.

Pašlaik pasaulē, šķiet, darbojas aptuveni simts CPA lāzeru. Ar to palīdzību tiek pētīti dažādi fizikāli efekti, no kuriem daudzi jau tiek praktiski izmantoti. Tālāk apskatīsim dažus CPA lāzeru lietojumus.

Elektronu lāzera paātrinājums...

Ideju par lāzeru izmantošanu elektronu paātrināšanai plazmā 1979. gadā izvirzīja amerikāņu zinātnieki. Pirmie analītiskie pētījumi par īsiem lāzera impulsiem tika publicēti 1987. un 1988. gadā. Faktiski elektronu paātrināšana ar lāzeru plazmā ir ļoti tuvu tā sauktajai kolektīvā elektronu paātrinājuma metodei, kas tika izstrādāta daudzu gadu garumā Harkovas Fizikas un tehnoloģiju institūtā Ya.B.Fainberga vadībā. Jūs varat lasīt par problēmām, ar kurām saskaras tradicionālā vakuuma paātrinātāju tehnoloģija, un par kolektīvajām paātrināšanas metodēm plazmā rakstā, kas iepriekš publicēts žurnālā Nature.

3. att.Īsa lāzera impulsa izplatīšanās plazmā un nomoda viļņu ierosināšana. Punktētā līnija parāda samazināta elektronu blīvuma līnijas, nepārtrauktā līnija parāda palielināta elektronu blīvuma līnijas. Bultiņa parāda lāzera impulsa izplatīšanās virzienu.

Piemērojot īsiem lāzera impulsiem, elektronu paātrinājumu plazmā var shematiski attēlot šādi. Izplatoties plazmā, impulss izstumj elektronus no apgabala, kurā tas pašlaik atrodas (3. att.). Papildus spēkiem, kas rodas no impulsa, elektroni ir pakļauti plazmas jonu elektriskajam laukam, ko var uzskatīt par stacionāru to lielākās masas dēļ. Pēc tam, kad impulss ir atstājis šo reģionu, elektronus ietekmē tikai lādiņu atdalīšanas lauks, kam ir tendence atgriezt elektronus sākotnējā stāvoklī. Paātrinājušies šajā laukā, elektroni pārspēj savu sākotnējo stāvokli un sāk svārstīties attiecībā pret joniem tā sauktajā plazmas frekvencē. Tā kā impulss iet cauri plazmai un pastāvīgi izstumj tos elektronus, kas sastopas tā ceļā, tas vienmēr aiz sevis sāk plazmas svārstības. Turklāt šo svārstību sākotnējā fāze dažādos impulsa ceļa punktos ir atšķirīga. Rezultātā tiek ierosināts lādiņa atdalīšanas vilnis, kura fāze izplatās pa plazmu ar impulsa ātrumu (tā sauktais nomoda vilnis, 4. att.). Šī viļņa elektriskais lauks vienā perioda pusē ir vērsts impulsa izplatīšanās virzienā, bet otrā perioda pusē - impulsa izplatīšanās virzienā. Ja elektronu ar sākotnējo ātrumu, kas vienāds ar impulsa ātrumu, novieto tajā plazmas viļņa apgabalā, kur spēks, kas uz to iedarbojas no elektriskā lauka, ir vērsts tā kustības virzienā, tad elektrons, pārvietojoties kopā ar vilnis, sāks paātrināties. Šādu paātrinātāju sauc par “moda viļņa paātrinātāju”. Relativistiskām daļiņām, kuru ātrums ir tuvu gaismas ātrumam, pat neliels ātruma pieaugums atbilst lielam to enerģijas pieaugumam. Paātrinājuma rezultātā elektrona enerģija var ievērojami palielināties.

4. att. Elektronu blīvuma perturbācija nomoda vilnī, ko ierosina lāzera impulss ar ilgumu 30 fs un jaudu ~30 TW plazmā ar blīvumu 2,2 10 18 cm -3 . Gar vertikālo asi ir radiālā koordināte, ko mēra no impulsa ass. Gar horizontālo asi ir laiks pēc tam, kad lāzera impulss šķērso noteiktu punktu. (Pēc: Matlis N.H., Reed S., Bulanov S.S. et.al. // Dabas fizika. 2006. V.2. P.749-753.)

Francijā veiktie eksperimenti parādīja, ka iepriekš aprakstītais elektronu paātrinājuma mehānisms faktiski ir ieviests. Bet iegūtais elektronu enerģijas pieaugums izrādījās nenozīmīgs, jo šis paātrinājums notika ļoti īsā garumā.

Sākumā tika uzskatīts, ka lāzera impulsi, kuru ilgums ir tuvu plazmas svārstību periodam, ir vislabāk piemēroti aizraujošiem nomoda viļņiem, savukārt garāki impulsi nebija piemēroti šim nolūkam. Bet skaitliskie aprēķini [ - ] un turpmākie eksperimenti parādīja, ka tas tā nav. Lāzerimpulss, kura garums ievērojami pārsniedz plazmas viļņa garumu, bet jauda pārsniedz noteiktu vērtību, izplatoties plazmā, maina savu formu (5. att.). Pirmkārt, notiek tā amplitūdas modulācija, un pēc tam to sadala īsāku impulsu secībā ar atkārtošanās periodu, kas vienāds ar plazmas periodu. Šo efektu sauc par impulsa pašmodulāciju. Rezonanse notiek starp īsu impulsu secību un plazmas svārstībām. Katrs nākamais īsais impulss palielina nomoda viļņa amplitūdu, ko ierosināja pirmais īsais impulss. Rezultātā jau lāzera impulsa iekšpusē plazmas viļņa lauks kļūst ļoti liels un sasniedz 10 9 V/cm. Daži no plazmas elektroniem tiek uztverti plazmas vilnī. Tie sāk kustēties kopā ar vilni un tiek paātrināti līdz enerģijai, kas ir aptuveni 100 MeV vairāku milimetru garumā.

5. att. Impulsa pašmodulācijas attīstība un sadalīšana īsāku impulsu ķēdē. Sākotnējā impulsā ar intensitāti, kas vienmērīgi mainās telpā (kreisais attēls), vispirms parādās amplitūdas modulācija (vidējais attēls), un pēc tam tas tiek sadalīts īsa garuma impulsu ķēdē (labajā attēlā), attālums starp kuriem ir vienāds ar plazmas viļņa garums l lpp.

Francijā, ASV, Japānā un Anglijā veiktie eksperimenti parādīja, ka pašmodulācijas režīmā paātrināto elektronu maksimālā enerģija ir diezgan augsta, bet enerģijas spektrs ir ļoti plašs, kas ir trūkums no iespējamā viedokļa. lietojumprogrammas.

2004. gadā gandrīz vienlaikus trīs eksperimentālās grupas atklāja jaunu elektronu paātrinājuma režīmu, kurā enerģija sasniedza 250 MeV un enerģijas spektrs bija diezgan šaurs. Šajā režīmā lāzera starojuma intensitāte pārsniedza 10 19 W/cm 2, un impulsa garums bija tuvu plazmas viļņa garumam. Augstfrekvences spiediena spēki, kas iedarbojās uz plazmas elektroniem, bija tik lieli, ka uzreiz aiz impulsa parādījās gandrīz sfērisks apgabals, kurā elektronu praktiski nebija. Šo apgabalu sāka saukt par burbuli, un pats paātrinājuma režīms kļuva par burbuļa režīmu (6. att.). No plazmas šajā reģionā tika uztverts noteikts daudzums plazmas elektronu, kas tika paātrināti.

Šobrīd jau ir uzkrāts ievērojams eksperimentālais un teorētiskais materiāls, kas ir pietiekams lāzera paātrinātāja ar elektronu enerģiju vairāk nekā 1000 MeV projektēšanai un uzbūvēšanai. Tagad vairāki šādi projekti ir tuvu īstenošanai.

6. att. Lāzera impulsa izplatīšanās burbuļu režīmā. Uzreiz aiz impulsa veidojas apgabals, kurā nav elektronu (elektronu burbulis). No plazmas tiek uztverts neliels elektronu kopums un paātrināts.

...un joni

2000. gadā, apstarojot plānas folijas ar augstas intensitātes (vairāk nekā 10 18 W/cm 2 ) lāzera impulsiem, tika atklāti protoni ar enerģiju līdz 10 MeV, kas impulsa izplatīšanās virzienā izplūst galvenokārt no folijas aizmugurējās sienas. . Šis rezultāts izraisīja lielu interesi. Eksperimenti tika atkārtoti daudzās laboratorijās. Dažos no tiem maksimālā izmērītā protonu enerģija sasniedza 60 MeV, un to skaits sasniedza 10 12 uz vienu lāzera impulsu.

Kā rodas protoni ar tik lielu enerģiju? Eksperimentālo datu analīze un skaitliskie aprēķini parādīja, ka lāzera impulsa iedarbībā folijā parādās ātri elektroni, kas iziet cauri folijai un izlido no tās pretējās puses. Bet viņi nevar lidot tālu. Tos aptur folijā palikušo jonu elektriskais lauks. Netālu no mērķa aizmugurējās virsmas veidojas negatīvi lādēts slānis, kas sastāv no elektroniem. Šo elektronu radītais elektriskais lauks ir vērsts perpendikulāri virsmai un sasniedz vērtību, kas ir pietiekama, lai jonizētu uz virsmas esošos atomus. Tad tā paša elektriskā lauka ietekmē joni sāk paātrināties. Parādās dubultslānis, kas sastāv no telpā atdalītiem elektronu un jonu slāņiem, kas izlido no mērķa. Paātrinājuma procesā enerģija tiek pārnesta no elektroniem uz joniem. Visefektīvāk tiek paātrināti gaismas joni (protoni), kas veidojas no ūdeņraža atomiem, kas adsorbēti uz folijas virsmas (7. att.).

7. att. Jonu (protonu) paātrinājums, apstarojot plānu foliju ar īsu lāzera impulsu. Lāzera impulss krīt uz folijas kreiso robežu, ātrie elektroni izlido caur folijas labo robežu un paātrina jonus ar savu elektrisko lauku.

Šādi enerģētisko jonu avoti jau tiek izmantoti protonu rentgenogrāfijā, kad objekta attēlu iegūst, caur to izspīdot protonu staru. Šī metode jo īpaši ļauj noteikt elektrisko lauku struktūru pētāmā objekta iekšienē. Bet ātro jonu lāzera avotiem ir vislielākās perspektīvas medicīnā (onkoloģijā). Fakts ir tāds, ka vēža audzēju ietekmēšanai ir lietderīgāk izmantot protonus. Pašlaik šādu protonu avoti ir dažādi vakuuma paātrinātāji, kas ir ļoti apjomīgi un dārgi. Ir cerības, ka lāzera avoti būs kompaktāki un lētāki.

Kodolsintēzes ātra aizdegšanās

Darbs pie kontrolētas kodolsintēzes tiek veikts galvenokārt divos virzienos. Vienā no tiem kodolsintēzes reakcija notiek karstā plazmā, kas tiek turēta magnētiskajā laukā (tā sauktais magnētiskais norobežojums). Otrā plazma tiek radīta un uzkarsēta tik ātri, ka tai nav laika izlidot (tā sauktā inerciālā norobežošana). Lāzeri tiek izmantoti, lai ātri izveidotu un uzsildītu plazmu.

Vienkāršākā ir kodoldegvielas tiešās saspiešanas un sildīšanas shēma. Lāzera stari no visām pusēm tiek virzīti uz sfērisku apvalku, kas piepildīts ar deitērija un tritija maisījumu, un, kodoliem saplūstot, tiek atbrīvota enerģija. Bet, lai reakcija sāktos, temperatūrai mērķa iekšpusē jāsasniedz 10 keV (100 miljoni grādu). Tik gigantisku temperatūru var sasniegt, ja mērķa iekšējā daļa ir strauji saspiesta (ārējais apvalks izlidos). Ja vajadzīgā temperatūra tiek sasniegta pie pietiekami liela plazmas blīvuma, sāksies saplūšanas reakcija, un tad temperatūra tiks uzturēta, pateicoties šī procesa laikā izdalītajai enerģijai. Savā ziņā šī shēma atgādina dīzeļdzinēja darbību, kur degviela spontāni aizdegas savas spēcīgās kompresijas dēļ.

Atšķirībā no dīzeļdzinēja, parastajā benzīna dzinējā degviela tiek saspiesta līdz zemākam spiedienam un aizdegas no elektriskās izlādes (aizdedzes sveces). Rodas dabiska ideja aizdedzināt kodolreakciju pie mērena spiediena, izmantojot īpaši īsu, ļoti jaudīgu lāzera impulsu kā sava veida “sveci”.

8. att. Kontrolēta lāzera kodolsintēzes process ar ātru degvielas aizdegšanos ar īsu lāzera impulsu. Pirmkārt, lāzera stari saspiež kodoldegvielu (a), tad spēcīgs īss impulss veido kanālu apvalkā (b), bet otrs impulss paātrina elektronus (c) un aizdedzina kodola ķēdes reakciju (d).

8. attēlā parādīts kodoltermiskās ierīces darbības princips ar ātru degvielas aizdedzi, ko 1994. gadā ierosināja ASV Livemore Nacionālās laboratorijas darbinieki. Pirmkārt, sfērisks apvalks, kas satur kodoldegvielu, tiek saspiests vairāku lāzera staru iedarbībā ar pietiekami ilgiem impulsiem. Kad saspiešanas pakāpe sasniedz noteiktu vērtību, salīdzinoši īss lāzera impulss (ilgums ~10 -10 s), kura intensitāte ir ~10 19 W/cm 2, veido apvalkā caurumu, caur kuru izplūst īss impulss ar ilgumu. no ~6H 10 -12 tiek ievadīts mērķa s centrā un intensitāte ~10 20 W/cm 2 . Izejot cauri retinātiem plazmas slāņiem, šis impulss paātrina elektronus līdz vairāku MeV enerģijai, kas uzsilda kodoltermisko degvielu līdz temperatūrai, kas nepieciešama ķēdes reakcijas sākšanai.

Līdz šim ir ierosinātas vairākas citas shēmas kodolreakcijas ātrai aizdedzināšanai, jo īpaši izmantojot enerģētiskos jonus, kas rodas, mijiedarbojoties lieljaudas lāzera impulsiem ar plānām folijām.

Kodolreakcijas ātras aizdegšanās īstenošana prasa daudzu jautājumu izpēti, kas šobrīd tiek veikta laboratorijās Japānā, ASV, Francijā, Lielbritānijā u.c.

Kodolreakcijas lāzera starā

Iepriekš jau tika minēts, ka lāzera starojuma intensitātei pārsniedzot 10 18 W/cm 2, elektrona kustības ātrums lāzera laukā kļūst pielīdzināms gaismas ātrumam. Ja intensitāte ir 3H 10 20 W/cm 2, tad elektronu enerģija ir aptuveni 5 MeV. Pats elektrons ar šādu enerģiju tieši neizraisa kodolreakcijas, bet, lidojot kodola tuvumā, elektrons izstaro g-kvanti ar vairāku MeV enerģijām. Tieši šīs g-kvanti un mijiedarbojas ar kodolu, izraisot tā sauktās fotokodolu reakcijas. Parasti šādas mijiedarbības rezultātā g-kvanti izsit no kodola neitronu. Iegūtais kodols atbilst sākotnējā elementa izotopam un, kā likums, pēc kāda laika sadalās. Izmērot sabrukšanas produktu īpašības, var pārbaudīt, vai ir notikusi fotonukleārā reakcija. 9. attēlā ir parādīta eksperimenta diagramma, kuras rezultāti tika publicēti 2000. gadā. Līdz šim šādas fotonukleāras reakcijas, ko stimulē spēcīgi lāzera impulsi, ir novērotas daudziem elementiem.

9. att. Fotonukleāro reakciju eksperimenta shēma. Kreisā tantala folija tiek izmantota g-kvantu ģenerēšanai. Labajā vara folijā notiek fotokodolu reakcija 63 Cu+ g ® n + 62 Cu. Izotopi 62 Cu sadalās, atbrīvojoties pozitroniem, kas tiek reģistrēti.

Cits kodolreakcijas veids tika realizēts 1998. gadā. Lāzera impulss tika vērsts uz speciāli sagatavotu plakanu foliju 200 mikronu biezumā, kas satur deitērija atomus - ūdeņraža izotopu, kura kodols sastāv no viena protona un viena neitrona. Pirmais pietiekami ilgs (3H 10 -10 s) lāzera impulss jonizēja mērķa materiālu un veidoja plazmu. Uz šo plazmu tika vērsts otrs, īsāks (6H 10 -14 s), intensīvs (10 18 W/cm 2 ) un šaurs (diametrs 4,5 μm) lāzera impulss, izspiežot elektronus radiālā virzienā, veidojot tukšos jonus. Paliekot bez elektroniem, līdzīgi lādēti joni atgrūda un izlidoja (tā sauktais Kulona sprādziens) (10. att.). Tajā pašā laikā tie ieguva lielāku ātrumu, sadūrās ar lēnajiem joniem, kas atrodas ārpus lāzera fokusa, un izraisīja divu deitērija kodolu saplūšanas reakciju. Pēdējās reakcijas rezultātā radās neitroni ar enerģiju 2,45 MeV, kas tika reģistrēti.

10. att. D-D reakcijas eksperimenta shēma. Lāzera impulss vispirms nokrīt uz mērķa, radot plazmu. Tad nokrīt otrs ultraīss impulss, veidojot plazmas kanālu. Radiālā virzienā izmesti deitērija joni saduras ar lēnajiem deitērija joniem. Reakcijas rezultātā D + D ® 3 Parādās un tiek reģistrēti neitroni He(0,82 MeV) + n(2,45 MeV).

Iespēja ierosināt kodolreakcijas, izmantojot lāzerus, ir pievilcīga no vides viedokļa. Ar fotonukleāro reakciju palīdzību ilgstoši radioaktīvos elementus var pārvērst to īslaicīgos izotopos.

Sinhrotronu un submilimetru starojums

Lai pētītu un diagnosticētu dažādas vielas, ir nepieciešami elektromagnētiskā starojuma avoti plašā frekvenču diapazonā no cietajiem rentgena stariem līdz submilimetru viļņiem. Šiem nolūkiem var izmantot īsus spēcīgus lāzera impulsus. Šeit mēs koncentrēsimies uz diviem viļņu garuma apgabaliem - ļoti īsiem viļņiem, kuru garums ir mazāks par 10 -8 cm (sinhronais starojums) un ļoti gariem viļņiem ar garumu 10 -2 cm (submilimetru starojums), kurus var iegūt, mijiedarbojoties īsiem. lāzera impulsi ar plazmu.

Parasti sinhrotrona starojuma avots ir augstas enerģijas elektronu stars, kas pārvietojas magnētiskajā laukā. Iepriekš apspriestā salīdzinoši kompakto lāzera-plazmas elektronu paātrinātāju izveide pavērs jaunas iespējas tradicionālajai sinhrotronu starojuma ģenerēšanas metodei. Tomēr ir vēl viens veids, kā radīt šo starojumu tieši elektronu paātrinājuma procesā.

Kā minēts iepriekš, spēcīgs īss impulss, kas izplatās plazmā, aiz tā aizrauj nomoda viļņus, kas var uztvert dažus elektronus. Ieslodzītie elektroni, kas pārvietojas kopā ar modināšanas vilni, vienlaikus svārstās šķērsvirzienā uz skalām, kas atbilst pamošanās viļņa platuma secībai. Saistīto elektronu trajektorijas izliekumu pavada starojums, kuram pie atbilstošas ​​elektronu enerģijas var būt tāda pati frekvence kā sinhrotrona starojumam.

Īsi lāzera impulsi var būt noderīgi arī daudz zemākas frekvences starojuma ģenerēšanai, ko izmanto organisko materiālu spektroskopijai. Šis starojums pieder submilimetru diapazonam, kas atbilst terahercu frekvenču diapazonam (1 THz = 10 12 Hz). Plazmā ar koncentrāciju aptuveni 10 19 cm -3 plazmas svārstību biežums ir tieši šādā secībā. Bet izmantot šīs priekšrocības nepavisam nav viegli. Fakts ir tāds, ka plazmas svārstības nerada elektromagnētisko starojumu. Tāpēc nomoda vilnis, kas homogēnā plazmā ierosināts ar īsu lāzera impulsu, nedrīkst radīt starojumu ārpus plazmas. Tomēr pirmajā eksperimentā, kurā tika reģistrēti nomoda viļņi, tika novērots starojums plazmas frekvencē. Negaidītā rezultāta iemesls ir īstas plazmas neviendabīgums. Blīvuma neviendabīguma dēļ impulsa ierosinātie viļņi satur elektromagnētisko komponentu, kas atstāj plazmu starojuma veidā. Citā eksperimentā terahercu starojums radās impulsa izejas procesā no plazmas (11. att.).

11. att. Plazmas-vakuuma robežas šķērsošana ar lāzera impulsu. Neviendabīga plazma rodas, kad folija tiek jonizēta ar lāzera impulsu. Otrs ultraīsais lāzera impulss plazmā ierosina nomoda vilni, kura laukā tiek paātrināti elektroni. Izejot cauri plazmas robežai, tie rada elektromagnētisko pārejas starojumu terahercu frekvenču diapazonā.

Autori redz izskaidrojumu šim faktam apstāklī, ka, sekojot impulsam, mazi elektronu saišķi, kas notverti nomoda vilnī, iziet cauri plazmas robežai. Kad elektroni šķērso robežu, rodas tā sauktais pārejas elektromagnētiskais starojums. Tas pats pārejas starojums rodas no plazmas robežas krustošanās ar lāzera impulsu, kas uz to krīt. Turklāt plaši pazīstamajam Čerenkova starojumam līdzīgs starojums rodas arī lāzera impulsa izplatīšanās gadījumā plazmā, kas novietota ārējā magnētiskajā laukā. Atšķirībā no parastā Čerenkova starojuma, ko rada lādētas daļiņas, šajā gadījumā starojuma avots ir īss lāzera impulss.

Pietiekami jaudīgu terahercu starojuma avotu izveide nodrošinās uzticamu instrumentu ne tikai diagnostikai bioloģijā un medicīnā, bet arī drošības jomā narkotiku un organisko sprāgstvielu meklēšanai.

* * * CPA lāzeru izveide, kas spēj ģenerēt īpaši īsus, īpaši jaudīgus lāzera impulsus, ir pavērusi plašas izredzes dažādiem pētījumiem. Sava relatīvā lētuma un mēreno izmēru dēļ šie lāzeri pēdējos gados ir parādījušies daudzās zinātniski strauji augošajās valstīs (Ķīnā, Indijā, Korejā, Holandē, Grieķijā u.c.). Jaudīgākie lāzeri šobrīd tiek būvēti Francijā, Japānā, Vācijā un ASV.

Interese par šiem lāzeriem pieaug, un to izraisa divi faktori. No vienas puses, tie ļauj pētīt vielas īpašības īpaši spēcīgajos elektromagnētiskajos laukos, kad daudzi tradicionālie fizikālie jēdzieni nav piemērojami. No otras puses, tie var kļūt par rīku, kas atradīs daudz dažādu pielietojumu medicīnā, ekoloģijā un drošībā.

Literatūra

1. Mourou G., Tajima T., Bulanov S.V.// Mūsdienu fizikas apskats. 2006. V.78. P.309-371.

2. Strickland D., Mourou G.// Optiskie sakari. 1985. V.56. P.219-221.

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

4. Gorbunovs L.M., Kirsanovs V.I.// JETP. 1987. T.93. P.509-518.

5. Sprangls P., Esarijs E., Tings A., Džoiss G.//Appl. Fizik. Lett. 1988. V.53. P.2146-2148.

6. Gorbunovs L.M. 21. gadsimta paātrinātāji? // Daba. 1988. 5.nr. P.15-23.

7. Andrejevs N.E., Gorbunovs L.M., Kirsanovs V.I. un utt.//Vēstules JETP. 1992. T.55. P.551-555.

8. Antonsens T., Mora P.// Fiz. Rev. Lett. 1992.V.69. P.2204-2207.

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

10. Klārks E.L., Krušelniks K., Deiviss Dž.R. un citi.// Fiz. Rev. Lett. 2000. V.84. P.670-673.

11. Tabaks M., Hammers J., Glinskis M.E. un citi.// Fiz. Plazmas. 1994.V.1. P.1626-1634.

12. Ledingems K.W., Spensers L., Makkenijs T. u.c.// Fiz. Rev. Lett. 2000. V.84. P.899-902.

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

Citā pusē

Ja viņi ir iemācījušies izmantot lāzeru, lai atdzesētu vielu, vai precīzāk, palēninātu to līdz īpaši zemam ātrumam, tad rodas dabisks jautājums: vai ir iespējams to paātrināt, gluži pretēji? Atbilde ir jā, tas tiek darīts daudzās laboratorijās visā pasaulē, tostarp relativistiskās lāzerplazmas apvienotajā laboratorijā P.N. Ļebedevs un Maskavas Valsts universitātes Starptautiskais lāzera centrs, kas nosaukts M.V. Lomonosovs. Šeit paātrinās nevis atomi, bet joni un elektroni. Kā piemēru ņemsim elektronus. Tātad, vispirms vispirms.

Kāpēc vispār radās ideja izmantot lāzerus, lai paātrinātu daļiņas? Ir akseleratori... kāpēc gan tos neizmantot? Lieta ir tāda, ka daļiņu paātrināšanai ir nepieciešami vai nu spēcīgi lauki, vai vājāki lauki, bet lielos attālumos. Daba ir veidota tā, lai vakuumā, ko ieskauj cieti priekšmeti, nevarētu izveidot spēcīgu lauku. “Tiklīdz tiek pielietots spēcīgs lauks, viss, kas veido jebkuru struktūru, kļūst jonizēts. Elektroni aizbēg, notiek lavīna un notiek sabrukums. "Šādos apstākļos nekādi eksperimenti nedarbosies," skaidro Valērijs Bičenkovs, Ļebedeva Fiziskā institūta galvenais pētnieks, kurš pēta lādētu daļiņu lāzera paātrinājuma problēmas. Plazma ir cita viela – vide, kas sastāv no jonizētām daļiņām. Pēc definīcijas tas var izturēt spēcīgus laukus, un lāzers spēj radīt gan laukus, gan pašu plazmu. Citiem vārdiem sakot, daļiņas šeit var paātrināt nelielā mērogā. Pirmā šāda ideja radās pirms 30 gadiem, bet piemēroti lāzeri parādījās tikai 20. gadsimta beigās, un šis virziens sāka intensīvi attīstīties.

Tātad lāzera paātrinātājam ir nepieciešams lāzers un gāzes mākonis. Izejot cauri gāzei, spēcīgs lāzera stara impulss izspiež elektronus savā ceļā. Ir iespējams panākt tādu režīmu, ka aiz impulsa veidojas apgabals, kurā gandrīz pilnībā nav negatīvi lādētu daļiņu (“caurums”).

"Tieši šajā jomā, " saka Bičenkovs, "elektronus var paātrināt visefektīvāk. Caurums pārvietojas aiz lāzera impulsa. Lāzera izspiestie elektroni plūst ap to pretējā virzienā. Tie, kas iekļūs iekšā, paātrinās."

Zinātnieki topošo struktūru sauc par burbuli. Tas tiešām izskatās kā burbulis – bez elektroniem iekšā, ar elektronu “plēvi” ārpusē. Bet tikai tie elektroni, kas iekrīt pašā “burbulī”, var paātrināties. Tieši ar eleganto šādu elektronu ievadīšanas metodi ir saistīti Valērija Bičenkova vadītā Ļebedeva Fiziskā institūta teorētiskās grupas zinātniskie sasniegumi. Viņi ierosināja shēmu, ar kuras palīdzību galu galā tika sasniegts principiāli jauns elektronu enerģijas līmenis - 1,5 GeV (pirms tam visa pasaule daudzus gadus bija “stopējusies” līmenī, kas nepārsniedza 1 GeV).

Krievu zinātnieku ideja bija šāda. Parasti hēliju izmanto kā plazmas darba vielu: to ļoti viegli jonizē ar lāzeru. Un šī ir problēma: lāzera impulsa "galam" vai, labāk sakot, priekšējai malai ir zema intensitāte, taču tā joprojām "izpūš" visus elektronus no hēlija atomiem, un lielākā daļa no tiem ir tālu no " burbulis".

Fianova komanda ierosināja izmantot smagākas gāzes, piemēram, slāpekli vai skābekli, kuru kopējā jonizācijas enerģija ir lielāka.

Tas ir, daži gaismas elektroni no atoma ārējiem apvalkiem aizies ar priekšējo malu, bet daži paliks un gaidīs lāzera impulsa maksimumu. Tas arī viņus “izpūtīs”, taču viņi ies pa pavisam citām trajektorijām, iekrītot “burbulī” un tajā paātrinoties.

Tālāk bija nepieciešams eksperiments, un krievu fiziķi atrada vienu, jau gatavu - tikai, diemžēl, Mičiganas Universitātē (ASV). Tomēr amerikāņi uzreiz neticēja Krievijas zinātniekiem: galu galā, ja plazmā tiek izmantoti gāzes atomi ar lielu elektronu skaitu, tas traucē lāzera stara izplatīšanos.

Teravatu femtosekundes lāzera komplekss uz safīra ar titānu Maskavas Valsts universitātes ILC. Jo īpaši tur tiek veikti eksperimenti ar uzlādētu daļiņu lāzera paātrināšanu. Foto: Grigorijs Golovins, Ignats Solovijs, STRF.ru

"Amerikāņi gribēja strādāt ar hēliju," atceras Bičenkovs. “Viņi no rīta atnāk uz darbu, ieslēdz hēlija lāzeru un vēro elektronu paātrinājumu. Un tuvāk pusdienām bilde pazūd. Izrādās, ka tā ir anekdote: jo izsalkuši pētnieki, jo mazāka iespēja iegūt elektronus. Vakarā satraukti dodas mājās, no rīta atgriežas, ieslēdz instalāciju, saņem elektronus... Tie pazūd tuvāk pusdienām. Un tā visu ceļu... Izrādījās, ka vakarā atslēdzot uzstādīšanu, visi kapilāri un caurules bija piepildītas ar gaisu. No rīta sistēmā it kā bija “hēlijs”, bet patiesībā bija arī smagāki elementi - slāpeklis un skābeklis. Tad caurules tika piepildītas ar tīru hēliju, un... kā saka, skatīt augstāk. Citiem vārdiem sakot, smagie elementi bija jāuzņem nelielos daudzumos, tad tas neietekmēs lāzera gaismas izplatīšanos - kas patiesībā bija tas, ko mēs gribējām izmēģināt jau no paša sākuma un kas patiesībā notika dabiski eksperiments."

Galu galā tā ir interesanta fizika, taču lāzera paātrinātājs ir vairāk nekā tikai skaista rotaļlieta. Ar tās palīdzību jūs varat izveidot īpašus rentgena un gamma starojuma avotus. Protams, tie nav piemēroti plaušu rentgena stariem, bet, jo īpaši, ar tiem var pārbaudīt jebkuru konteineru ar radioaktīviem materiāliem, to neatverot. Parasti bez papildu izpētes nav iespējams pateikt, kas tajā ir. Tomēr, ja konteiners tiek apstarots no avota, kas balstīts uz lāzera paātrinātām daļiņām, tad jūs varat “izskriet” pa visu gamma starojuma spektru, un noteiktā viļņa garumā radioaktīvais materiāls noteikti reaģēs, un tas ļaus noteikt tās būtība.

Gan daļiņu paātrināšana, gan palēnināšana, izmantojot lāzerus, ir salīdzinoši jaunas pētniecības jomas. Un jūs varat ne tikai atrast tiem kādu lietojumu, bet arī sasniegt tādus ekstrēmus stāvokļus, kurus nevar iegūt citādā veidā. Bet, kā jau minēts sākumā, ekstrēmos apstākļos zinātnē dzimst patiesi jaunas lietas. Jo īpaši, atdzesējot atomus, tas ir Bozes-Einšteina kondensāts. Lāzera paātrinājums vēl nav guvis tik “ārkārtīgus” panākumus. Bet zinātnieki cer, ka, paātrinot protonus ar lāzeru, viņi varēs sasniegt gigantiskas magnētiskā lauka vērtības šauros kosmosa apgabalos - līdz 1 miljonam teslu (salīdzinājumam: pasaules rekords nemainīgā magnētiskajā laukā ir tikai daži desmitiem teslu, un lauki atomos nepārsniedz 10 tūkstošus teslu). Mēs, protams, neuzņemsimies prognozēt, ko tas atklās fizikai – to atstāsim lasītāja ziņā. Iesākumam vēl tikai piebilst, ka tieši šādas kārtas lauki eksistē ļoti interesantos mūsu Visuma objektos - neitronu zvaigznēs, kuru gigantisks blīvums ir līdz 10 18 kg/m 3.