Плазменные ускорители преодолели рубеж в 1 ГэВ

Физики из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) в сотрудничестве с английскими коллегами из Оксфордского университета существенно повысили эффективность лазерно-плазменного ускорения электронов. Эти исследования приближают создание нового поколения мощных и в то же время компактных электронных дускорителей высоких энергий, разгоняющих эти частицы не в глубоком вакууме, а в плазме. Результаты эксперимента будут опубликованы в октябрьском выпуске Nature Physics.

Как известно, мощные ускорители электронов отличаются более чем солидными размерами. Например, знаменитый своими открытиями линейный коллайдер (SLC, SLAC Linear Collider) Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), который доводит энергию электронов до 50 ГэВ (гигаэлектронвольт, 10⁹ электронвольт), имеет в длину 3200 метров. И это отнюдь не случайно. Размеры радиочастотных вакуумных ускорителей зависят от предела напряженности ускоряющего электрического поля, который не превышает 100 миллионов В/м (вольт на метр) из-за возможности пробоя (рабочий показатель SLC куда меньше — 20 миллионов В/м).

По этой причине вот уже пару десятков лет ученые обсуждают возможность ускорения электронов не в пустом пространстве, а в плазме. В этом случае электроны увеличивают скорость, двигаясь «на гребне» быстро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн (англ. wakefield). Плазменный разгон в кильватерных волнах в принципе позволяет на три-четыре порядка увеличить напряженность электрического поля и при этом не создает опасности пробоя.

Кильватерные волны в плазме возбуждаются с помощью импульсов лазерного излучения. Такие импульсы буквально выталкивает электроны со своего пути и тем самым вызывают возмущения их плотности. В результате лазерный импульс как бы тащит за собой волну зарядовой плотности, которая поэтому и называется кильватерной. Поскольку эта волна распространяется вслед за импульсом без отставания, ее фазовая скорость совпадает с групповой скоростью самого импульса. Если плазма достаточно разрежена, скорость импульса очень мало отличается от скорости света. Фазовая скорость кильватерной волны достигает таких же значений, что и позволяет разгонять электроны до релятивистских и даже ультрарелятивистских энергий.

Возможности лазерного ускорения электронов в кильватерных плазменных волнах изучают во многих лабораториях мира. В этих экспериментах сгустки ускоряемых электронов инжектируются в плазму (сами электроны при этом могут быть предварительно разогнаны в обычном радиочастотном ускорителе), которая одновременно «обрабатывается» лазерными импульсами. Эту технологию обычно обозначают английской аббревиатурой LWFA (Laser Wakefield Acceleration — ускорители с лазерным кильватерным полем).

Достигнутые к настоящему времени результаты этих исследований можно оценить так: хорошо, но надо бы куда лучше. В плазме уже удалось создать динамические поля с рекордно высокой напряженностью порядка 100 миллиардов В/м, однако они не отличаются стабильностью. Возможно, главная трудность состоит в том, что для достижения ультрарелятивистских энергий электронов необходимо поддерживать высокую интенсивность лазерного импульса на большой длине его пути в плазме, скажем, порядка метра. Один из оптимальных путей к решению этой задачи состоит в создании плазменных каналов, по которым лазерные импульсы могли бы распространяться, как по волноводам. Для получения таких каналов существуют различные способы, которые сейчас интенсивно изучаются.

Исследователи из Беркли во главе с Вимом Лимансом (Wim Leemans) называют свою группу LOASIS (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies — Объединенные исследования лазерной оптики и ускорительных систем). Вот уже несколько лет LOASIS разрабатывает метод ускорения электронов внутри каналов в водородной плазме, которые предварительно создаются с помощью пары сфокусированных лазерных лучей. Первый луч проходит через разреженный водород и «просверливает» стержень будущего канала. Затем туда направляют второй луч, который дополнительно нагревает плазму и окончательно формирует канал. После этого через него пропускается ведущий лазерный импульс, который и создает кильватерную волну. Таким способом можно добиться значительного ускорения электронов, не прибегая к применению особо мощных лазеров, что, конечно, упрощает задачу.

Осенью 2004 года группа Лиманса сообщила о разгоне электронов в плазменном волноводе до энергии 200 МэВ (мегаэлектронвольт, 10⁶ электронвольт) с помощью лазерных импульсов с пиковой мощностью всего 9 ТВт (тераватт, 10¹² ватт). Это была прекрасная демонстрация перспективности их метода, поскольку другие группы получали сходные результаты с помощью 30-тераваттных лазеров.

Дальнейшему прогрессу помог случай. Лиманс познакомился с оксфордским физиком Саймоном Хукером (Simon Hooker), который давно занимался проблемами канализации плазмы. Группа Хукера разработала метод изготовления сапфировых блоков, пронизанных очень тонкими капиллярами. В такой капилляр можно было закачать водород и превратить его в ионизированную плазму с помощью разряда электрического конденсатора. Плотность плазмы в центре капилляра была очень небольшой и повышалась вблизи его стенок. Драйверные лазерные импульсы могли проходить через сильно разреженную плазму центральной зоны практически без потери скорости, что и требовалось для экспериментов по кильватерному ускорению электронов. К тому же сапфировые капилляры способствовали стабилизации этих импульсов, что приводило к увеличению длины трека, на котором происходило ускорение электронов.

В экспериментах 2004 года группа Лиманса добилась разгона электронов на пути протяженностью всего лишь в 2 миллиметра, в то время как внутри сапфировых капилляров электроны стабильно ускорялись на сантиметровых дистанциях.

Группы Лиманса и Хукера решили объединить усилия и приступили к совместным экспериментам, причем теперь уже они использовали для генерации кильватерных волн 40-тераваттный лазер. С его помощью они разогнали электроны в капиллярах длиной 33 миллиметра до энергии чуть больше 1 ГэВ. Не менее важно и то, что им удалось получить почти монохроматические электронные сгустки, внутри которых разброс частиц по энергиям не превышал 2,5%. Результаты этого эксперимента означают, что надежды на появление плазменных электронных ускорителей высоких энергий обрели куда более твердую почву.

Иногда приходится читать, что технология лазерно-плазменного ускорения со временем позволит разгонять электроны до ультрарелятивистских энергий чуть ли не на настольных установках. Такого, скорее всего, никогда не произойдет, однако вполне возможно, что ускорители куда более мощные, нежели SLC, будут помещаться в зданиях вполне обычных размеров. Согласимся, что и это неплохо.

Похожие статьи: