В своем простейшем исполнении так называемые ускорители на кильватерном (спутном) поле, впервые предложенные 25 лет назад, предусматривают прохождение интенсивного лазерного импульса через газ, которыый ионизируется, и создаётся плазма, состоящая из электронов и ионов[1]. Давление излучения лазера выталкивает электроны плазмы наружу, создавая модуляцию плотности или спутный (кильватерный) след. Изменение плотности электронов может приводить к полям, которые ускоряют электроны до высоких энергий в тысячи раз быстрее и на более коротких расстояниях [2], чем это делают обычные ускорители. При своей компактности эти ускорители могли бы дать пучки электронов высокой энергии как для исследований на краю фундаментальной физики, так и сделать доступными клинические и лабораторные применения ускорителей.
В работе, которая обещает практически реализовать лазерные ускорители частиц, мы создали высококачественный электронные пучки в структуре, имеющей протяженность всего несколько миллиметров[3].
Данная работа позволяет надеяться, что размеры ускорителей можно будет сократить с миль до метров в длину и открыть широкий простор для новых применений - от медицины до физики высоких энергий. Наша группа объединенных исследований лазерной оптики и ускорительных систем (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies - L'OASIS) использует метод, называемый плазменным волноводным каналированием (plasma-channel guiding), для создания хорошо сфокусированых пучков, содержащих миллиарды электронов с разбросом энергий в несколько процентов при средней энергии около 100 МэВ [4]. решение.
Ключевой принцип ускорителя на спутном поле может быть понят по аналогии со спутной струёй, остающейся позади лодки, двигающейся по воде. Лодка (лазерный импульс), рассекая водную поверхность (плазму), создает углубление (провал плотности плазмы), и скачок за прошешей лодкой создает спутный (кильватерный) след. Электроны как бы осёдлывают волну, созданную спутной струёй. Чтобы элктроны могли быть захвачены волной, они либо должны иметь достаточную начальную скорость, либо волна должна быть достаточно велика, чтобы захватить фоновые электроны плазмы. Амплитуда волны пропорциональна квадратному корню от плотности плазмы.
Поскольку электроны захвачены волной, они могут существенно опережать её. Расстояние, на которое электроны опережают волну, называется расстоянием дефазировки. Это очень важная концепция, определяющая свойства ускоренных электронов. Чем ниже плотность плазмы, тем больше скорость лазерного импульса и, следовательно, плазменной волны. Действительно, общепринято, что для достижения высокой энергии должна использоваться плазма довольно низкой плотности: хотя амплитуда меньше, расстояние дефазировки больше и больше их произведение, которое определяет энергию электронного пучка.
Итак, почему плазма низкой плотности всё-таки используется не всегда? Все выполненные к настоящему времени эксперименты использовали довольно плотную плазмы, сравнительно с той, которая должна была бы использоваться для лазерного ускорительного модуля до миллиардов электронвольт. Первая причина состоит в том, что более высокие плотности позволяют производить спутные поля особо высокой амплитуды, которые легче захватывают фоновые электроны. вторая причина в том, что такие плотности позволяют лазерному лучу самофокусироваться, увеличивая расстояние, на котором существует эффект ускорения. В случае сфокусированного лазерного луча существует конечное расстояние, на котором сечение луча достаточно мало, чтобы создать необходимую высокую интенсивность; это расстояние называется зоной Рэлея или глубиной фокуса.
Существуют три способа увеличения расстояния, на котором интенсивность лазера достаточна для создания ускоренных частиц. Первый способ использует относительно длительный лазерный импульс, сравнительно с периодом плазменной волны, и достаточно мощный. Такие лучи способны формировать плазму в поперечном направлении, создавая структуру наподобие канала в плазме, который проводит лазерный луч (волновод). Такой эффект называется релятивистским самоволноводным и применялся в ранних экспериментах. Поскольку этот метод зависит от способности самоволноводно-фокусированного лазерного луча генерировать спутную волну, он типично производит электронные пучки со 100% разбросом по энергии. Распределение энергий, например, может простираться от менее чем 1 Мэв до многих десятков Мэв в одном импульсе.
Второй метод использует большие размеры фокального пятна, так что глубина фокуса соизмерима с длиной струи газа. Этот метод, который позволяет использовать меньшие плотности плазмы, был недавно улучшен двумя группами исследователей, чтобы производить электронные пучки с малым разбросом по энергии [5,6]. Начало лазерного импульса предварительно ионизирует газ, а главная часть импульса создает спутную волну. Поддержание высоких интенсивностей на больших размерах пятна, однако, требует больших вложений в мощность лазера и, следовательно, в стоимость.
Наша группа концентрировалась на третьем методе, который использует предварительно сформированную структуру для пропуска лазерного луча.
Мы использовали много-лучевую установку L'OASIS, содержащую титан-сапфировый лазер мощностью несколько тераватт. Задающим генератором служил лазер с синхронизацией мод, импульс которого усиливался регенеративным усилителем, затем предусилителем и трехкаскадным усилителем мощности. Эта лазерная система, основанная на усилении импульсов со сжатием, работает на частотах вблизи 810 нм и создает пачки импульсов с длительностью около 45 фс. Один лазерный импульс содержит до 600 мДж (последнее усовершенствование обеспечит получение дополнительного луча содержащеего от 1,5 до 2 Дж) при частоте повторения до 10 Гц. Чтобы увеличить длину области ускорения в нашем эксперименте, мы осуществили то, что может пониматься как плазменный аналог оптического волокна. Основной принцип этого метода был развит десять лет назад с использованием лазера много меньшей мощности, затем осуществлён в модернизированном варианте в 1998 г. в лаборатории L'OASIS [7,8]. Потребовалось ещё почти шесть лет для того, чтобы наши лазеры и аппаратура стали достаточно совершенны и оказались способны работать с лазерными импульсами чрезывычайно большой мощности по тому же методу.
Теперь система посылает один из лучей от титан-сапфирового лазера через газ как импульс поджига, чтобы сформировать тонкий длинный шнур плазмы. Второй импульс входит в шнур сбоку и разогревает его. Когда нагретый канал расширяется, он становится плотнее на краях и менее плотным в центре (см. фиг.1). Через приблизительно 500 пс - сравнительно долго, чтобы ионы освободили путь и плотность в центре уменьшилась, - интенсивный главный импульс с пиковой мощностью до 10 ТВт проходит по плазменному капилляру и создает спутное поле.
|
| Фиг.1. Импульс поджига (красный) формирует плазменный шнур в струе водорода. Разогревающий импульс (оранжевый) расширяет шнур до плазменного канала (синий), который имеет низкую плотность вдоль оси и высокую – на стенках. Этот канал служит волноводом для основного импульса, который ускоряет сгустки электронов внутри канала до почти однородной энергии. |
Создав условия возникновения плазменного канала и обеспечив нужные параметры лазера, мы были способны четко вести лазерный луч с непревзойденно высокой интенсивностью, несмотря на потери, вызываемые захватом электронов. Входящая и выходящая интенсивности были 7.1018 Вт/см2 и 1018 Вт/см2 соответственно, что указывает на значительное взаимодействие лазерной энергии с плазменными волнами без их гашения. Этот метод указал путь использования плазменных каналов, образованных лазерной энергией, в качестве ускорительных структур с ультравысокими градиентами поля. Далее, используя ещё большие пиковые мощности (9 ТВт вместо 4 ТВт) мы возбудили плазменные волны, способные подхватывать фоновые электроны плазмы. Эти электроны ускоряются в кильватерном электрическом поле. Кильватерное поле в конечном счете прекращается, как только следующие в нем электроны достигают расстояния дефазировки (когда они оказываются на краю обогнавшей их кильватерной волны). Путем удержания лазерного фокуса с помощью плазменного канала, мы можем ускорять электроны на больших расстояниях, чем в однородной плазме.
 |
| Фиг.2. Пространственное распределение энергии выхода плазменного ускорителя плазмы с приводом от лазера, показывает более миллиарда электронов в диапазоне от 4 до 86 МэВ. |
Используя предварительно сформированный плазменный канал, мы тщательно согласовали длину ускорения и расстояние дефазировки. При этом оптимальном расстоянии не только энергия частиц наибольшая, но и электроны, которые сгруппировались в тесные сгустки, оцениваемые временем около 10 фс, имеют почти одинаковую энергию (около 85 Мэв в случае нашего эксперимента), которая особенно важна для применений (см. фиг.2). Способность сфокусировать такой луч сравнима с такой способностью электронных пучков современных обычных ускорителей.
Почему электроны в сгустке ускоряются почти до одинаковой энергии? С помощью моделирующей программы VORPAL, разработанной корпорацией Tech-X совместно с университетом штата Колорадо, мы смоделировали развитие высококачественных сгустков электронов на суперкомпьютерах Национального Энергетического Научно-исследовательского Вычислительного Центра (Беркли, Калифорния)[9]. Результаты показывают. что несколько причин вызывает образование больших сгустков электронов с почти равными энергиями (см.фиг.3).
 |
| Фиг.3. В модели процесса ускорения импульс (зеленый) распространяется слева направо и создает модуляцию плотности (синее и белое) в плазме за импульсом. Это кильватерное поле может захватывать и ускорять сгустки электронов (красный) до высоких энергий. Использование плазмы с переменной плотностью, видимое выше в несколько изменённом цвете сверху вниз впереди лазерного импульса, образует лазерный волновод и позволяет формировать электронные пучки высокого качества. |
Наиболее важно точное согласование длины пути ускорения с расстоянием расфазировки. Другие причины включают плотность электронов, мощность лазера, изменение лазерного импульса на пути его распространения в плазменном канале.
Метод плазменного каналирования является важным шагом на пути разработки компактных многокаскадных лазерных ускорителей на кильватерном поле, которые могут создавать сфокусированные свербыстрые сгустки электронов высокой энергии, конкурирующие с обычными современными установками, использующими радиочастотное ускорение.Этот новый метод вызвал исследования новых источников излучения, таких как эффективная генерация рентгеновских фемтосекундных импульсов и когерентного терагерцового и ИК излучения. Нашей следующей задачей является демонстрация волноводного эффекта на расстояниях порядка сантиметра. Мы начали эту работу в сотрудничестве с группой Симона Хукера (Simon Hooker) из Оксфордского университета (Великобритания), где разработана конденсаторная капиллярная разрядная система, уже использовавшаяся для проведения лазерных импульсов современного уровня интенсивности. Мы сейчас испытываем эту методику на установке L'OASIS и предполагаем пропустить около 100 ТВт через плазменный волновод на расстояние, достигающее 10 см.
| В. Д. Попов | Обновлено 24 апреля 2005 г. |