Interested Article - Лазерное ускорение электронов

Ла́зерное ускоре́ние электро́нов — процесс ускорения электронного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Возможно как ускорение непосредственно электромагнитным излучением в вакууме или в специальных диэлектрических структурах , так и опосредованное ускорение в ленгмюровской волне , возбуждаемой лазерным импульсом, распространяющимся в плазме низкой плотности . Данным методом экспериментально получены пучки электронов с энергиями, превышающими 8 ГэВ .

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 .

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 называемый 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 . Увеличение мощности лазерного импульса до уровня петаватта позволило повысить энергию электронов до 2 ГэВ . Дальнейшее увеличение энергии электронов было достигнуто за счёт разделения процессов их инжекции в ускоряющую плазменную волну и собственно процесса ускорения. Этим методом в 2011 году были получены электроны с энергией около 0,5 ГэВ , а в 2013 году был превышен уровень 3 ГэВ, причём общая длина ускорительного канала составила всего 1,4 см (4 мм — инжекционный этап, 1 см — ускорительный этап) . В 2014 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли были получены первые экспериментальные результаты по ускорению электронов в капилляре длиной 9 см при помощи лазера . В этих экспериментах было продемонстрировано ускорение до энергии, превышающей 4 ГэВ, лазерным импульсом мощностью 0,3 ПВт, что стало новым рекордом . В 2019 году там же был установлен новый рекорд — при пиковой мощности лазерного импульса 0,85 ПВт были получены электроны с энергией около 7,8 ГэВ в капилляре длиной 20 см .

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 .

См. также

Примечания

R. Joel England et al. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . — 2014. — Vol. 86 . — P. 1337 . — doi : . 12 февраля 2017 года.
E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall. (англ.) // Phys. Rev. E. — 1995. — Vol. 52 . — P. 5443 .
T. Tajima, J. M. Dawson. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . — 1979. — Vol. 43 . — P. 267 .
W. P. Leemans et al. (англ.) // Nature Physics . — 2006. — Vol. 2 . — P. 696—699 . 20 октября 2010 года.
Xiaoming Wang et al. (англ.) // Nature Communications . — Nature Publishing Group , 2013. — Vol. 4 . — P. 1988 . 16 октября 2013 года.
B. B. Pollock et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . — 2011. — Vol. 107 . — P. 045001 . 12 января 2012 года.
Hyung Taek Kim et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . — 2013. — Vol. 111 . — P. 165002 . — doi : . — arXiv : .
W. P. Leemans et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . — 2014. — Vol. 113 . — P. 245002 . — doi : . 22 июля 2020 года.
A. J. Gonsalves et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . — 2019. — Vol. 122 . — P. 084801 . — doi : . 22 июля 2020 года.
C. E. Clayton et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . — 2010. — Vol. 105 . — P. 105003 .

Литература

Научная

E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . — 2009. — Vol. 81 . — P. 1229—1284 .
K. Krushelnick, V. Malka. (англ.) // . — 2009. — Vol. 4 . — P. 42—52 .
А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов , А. М. Сергеев . // УФН . — 2011. — Т. 181 . — С. 9—32 .
V. Malka. Laser plasma accelerators (англ.) // Phys. Plasmas . — 2012. — Vol. 19 . — P. 055501 . — doi : .
S. M. Hooker. Developments in laser-driven plasma accelerators (англ.) // Nature Photonics . — 2013. — Vol. 7 . — P. 775—782 . — doi : .
R. Joel England et al. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . — 2014. — Vol. 86 . — P. 1337 . — doi : .
И. Ю. Костюков, A. M. Пухов. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 2015. — Т. 185 . — С. 89 . — doi : .