Плазмові прискорювачі подолали рубіж в 1 ГеВ • Олексій Левін • Новини науки на "Елементи" • Фізика

Плазмові прискорювачі подолали рубіж в 1 ГеВ

Високоякісні електронні згустки з енергією 1 ГеВ, отримані в недавніх експериментах групи LOASIS (зображення з сайту www.lbl.gov)

Фізики з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі (Lawrence Berkeley National Laboratory) у співпраці з англійськими колегами з Оксфордського університету суттєво підвищили ефективність лазерно-плазмового прискорення електронів. Ці дослідження наближають створення нового покоління потужних і в той же час компактних електронних дускорітелей високих енергій, що розганяють ці частки не в глибокому вакуумі, а в плазмі. Результати експерименту будуть опубліковані в жовтневому випуску Nature Physics.

Як відомо, потужні прискорювачі електронів відрізняються більш ніж солідними розмірами. Наприклад, знаменитий своїми відкриттями лінійний коллайдер (SLC, SLAC Linear Collider) Стенфордського центру лінійних прискорювачів (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), який доводить енергію електронів до 50 ГеВ (гігаелектронвольт, 109 електронвольт), має в довжину 3200 метрів. І це аж ніяк не випадково. Розміри радіочастотних вакуумних прискорювачів залежать від межі напруженості прискорювального електричного поля, що не перевищує 100 мільйонів В / м (вольт на метр) через можливість пробою (робочий показник SLC куди менше – 20 мільйонів В / м).

З цієї причини ось вже пару десятків років вчені обговорюють можливість прискорення електронів не в порожньому просторі, а в плазмі. У цьому випадку електрони збільшують швидкість, рухаючись «на гребені» швидко поширюються збурень густини плазмових зарядів, так званих кільватерних хвиль (Англ. wakefield). Плазмовий розгін в кільватерних хвилях в принципі дозволяє на три-чотири порядки збільшити напруженість електричного поля і при цьому не створює небезпеки пробою.

Капілярний хвилевід наповнений воднем. Електричний розряд між електродами на кінцях хвилеводу нагріває газ, перетворюючи його в плазму. Лазер прискорює електронний пучок, який направляється електромагнітами і контролюється за допомогою фосфорного екран

Кільватерні хвилі в плазмі збуджуються за допомогою імпульсів лазерного випромінювання. Такі імпульси буквально виштовхує електрони зі свого шляху і тим самим викликають обурення їх щільності. В результаті лазерний імпульс як би тягне за собою хвилю зарядової щільності, яка тому й називається кільватерной. Оскільки ця хвиля поширюється слідом за імпульсом без відставання, її фазова швидкість збігається з груповою швидкістю самого імпульсу.Якщо плазма досить розріджена, швидкість імпульсу дуже мало відрізняється від швидкості світла. Фазова швидкість кільватерной хвилі досягає таких же значень, що і дозволяє розганяти електрони до релятивістських і навіть ультрарелятивістських енергій.

Можливості лазерного прискорення електронів в кільватерних плазмових хвилях вивчають у багатьох лабораторіях світу. У цих експериментах згустки прискорених електронів инжектируются в плазму (самі електрони при цьому можуть бути попередньо розігнані в звичайному радіочастотному прискорювачі), яка одночасно «обробляється» лазерними імпульсами. Цю технологію зазвичай позначають англійською абревіатурою LWFA (Laser Wakefield Acceleration – прискорювачі з лазерним кільватерним полем).

Досягнуті до теперішнього часу результати цих досліджень можна оцінити так: добре, але трохи не вистачає куди краще. У плазмі вже вдалося створити динамічні поля з рекордно високою напруженістю близько 100 мільярдів В / м, проте вони не відрізняються стабільністю. Можливо, головна складність полягає в тому, що для досягнення ультрарелятивістських енергій електронів необхідно підтримувати високу інтенсивність лазерного імпульсу на великій довжині його шляху в плазмі, скажімо, порядку метра.Один з оптимальних шляхів до вирішення цього завдання полягає в створенні плазмових каналів, по яких лазерні імпульси могли б поширюватися, як по волноводам. Для отримання таких каналів існують різні способи, які зараз інтенсивно вивчаються.

Група LOASIS. Праворуч на передньому плані – Вім Ліманс (з написом Wim на халаті). Фото з сайту www.lbl.gov

Дослідники з Берклі на чолі з Вімом Лімансом (Wim Leemans) називають свою групу LOASIS (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies – Об'єднані дослідження лазерної оптики і прискорювальних систем). Ось уже кілька років LOASIS розробляє метод прискорення електронів усередині каналів у водневій плазмі, які попередньо створюються за допомогою пари сфокусованих лазерних променів. Перший промінь проходить через розріджений водень і «просвердлює» стрижень майбутнього каналу. Потім туди направляють другий промінь, який додатково нагріває плазму і остаточно формує канал. Після цього через нього пропускається провідний лазерний імпульс, який і створює кільватерную хвилю. Таким способом можна домогтися значного прискорення електронів, не вдаючись до застосування особливо потужних лазерів, що, звичайно, спрощує завдання.

Восени 2004 року група Ліманса повідомила про розгін електронів в плазмовому хвилеводі до енергії 200 МеВ (мегаелектронвольт, 106 електронвольт) за допомогою лазерних імпульсів з пікової потужністю всього 9 ТВт (терават, 1012 ват). Це була прекрасна демонстрація перспективності їх методу, оскільки інші групи отримували подібні результати за допомогою 30-тераваттних лазерів.

Ведучий лазерний промінь проходить через плазму всередині сапфірового капілярного хвилеводу (фото з сайту www.lbl.gov)

Подальшому прогресу допоміг випадок. Ліманс познайомився з оксфордським фізиком Саймоном Хукер (Simon Hooker), який давно займався проблемами каналізації плазми. Група Хукера розробила метод виготовлення сапфірових блоків, пронизаних дуже тонкими капілярами. У такій капіляр можна було закачати водень і перетворити його в іонізовану плазму за допомогою розряду електричного конденсатора. Щільність плазми в центрі капіляра була дуже невеликою і підвищувалася поблизу його стінок. Драйверні лазерні імпульси могли проходити через сильно розріджену плазму центральної зони практично без втрати швидкості, що і було потрібно для експериментів по кільватерному прискоренню електронів.До того ж сапфірові капіляри сприяли стабілізації цих імпульсів, що призводило до збільшення довжини треку, на якому відбувалося прискорення електронів.

В експериментах 2004 року група Ліманса домоглася розгону електронів на шляху протяжністю всього лише в 2 міліметри, в той час як всередині сапфірових капілярів електрони стабільно прискорювалися на сантиметрових дистанціях.

Групи Ліманса і Хукера вирішили об'єднати зусилля і приступили до спільних експериментів, причому тепер уже вони використовували для генерації кільватерних хвиль 40-тераваттний лазер. З його допомогою вони розігнали електрони в капілярах довжиною 33 міліметра до енергії трохи більше 1 ГеВ. Не менш важливо і те, що їм вдалося отримати майже монохроматичні електронні згустки, всередині яких розкид часток по енергіях не перевищував 2,5%. Результати цього експерименту означають, що надії на появу плазмових електронних прискорювачів високих енергій знайшли куди більш твердий грунт.

Іноді доводиться читати, що технологія лазерно-плазмового прискорення згодом дозволить розганяти електрони до ультрарелятивістських енергій мало не на настільних установках.Такого, швидше за все, ніколи не станеться, однак цілком можливо, що прискорювачі куди більш потужні, ніж SLC, будуть міститися в будівлях цілком звичайних розмірів. Погодимося, що і це непогано.

джерела:
1) From Zero to a Billion Electron Volts in 3.3 Centimeters (Highest Energies Yet From Laser Wakefield Acceleration) // Прес-реліз Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans et al. GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator (ілюстрації можна подивитися тут) // Nature Physics, Doi: 10.1038 / nphys418. Advance online publication 24 September 2006.

Див. також:
Чандрашекар Джоші. Плазмові прискорювачі // «У світі науки» №5, 2006.

Олексій Левін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: