УСКОРЕНИЕ НЕМОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ, ИНЖЕКТИРОВАННЫХ В КИЛЬВАТЕРНУЮ ВОЛНУ
С. В. Кузнецов*
Объединенный институт высоких тслтсратур Российской академии наук 125412, Москва, Россия
Поступила в редакцию 27 декабря 2010 1". после переработки 25 ноября 2011 1".
Проведено исследование процесса захвата и ускорения немоноэнергетических электронных сгустков в кильватерной волне, возбуждаемой лазерным импульсом в плазменном канале. Электроны инжектируются в окрестность максимума потенциала кильватерной волны со скоростью, меньшей фазовой скорости волны. Изучено явление группировки электронов сгустка в энергетическом пространстве, возникающее в процессе ускорения при определенных условиях их инжекции в кильватерную волну и приводящее к минимизации разброса по энергии между ними. Определены факторы, влияющие на величину минимального разброса по энергии между электронами сгустка. Исследуется возможность моноэнергетического ускорения в кильватерной волне электронных сгустков, генерируемых современными инжекторами.
1. ВВЕДЕНИЕ
Современное развитие лазерной техники, способной производить интенсивные лазерные импульсы, позволяет генерировать в плазме кильватерные волны, характеристики которых значительно отличаются от свойств линейной волны. Данное обстоятельство имеет большое значение для лазер-но-плазменных методов ускорения электронов [1], исследуемых в настоящее время [2 4].
Одной из важных задач, которую необходимо решить для многих практических приложений при реализации процесса лазерно-плазменного ускорения, является получение после ускорения сгустка электронов достаточно высокой степени моноэнергетпч-ности [5]. Желательная степень моноэнергетпчно-сти сгустка после ускорения (т.е. относительный разброс по энергии между электронами) должна быть не хуже 1%. Качество (моноэнергетичность) ускоренного электронного сгустка зависит как от способа инжекции в лазерно-плазменную систему электронного сгустка и от его исходных характеристик, так и от свойств кильватерной волны, в которой происходит его захват и ускорение.
Теоретически было показано, что сгусток элек-
Е-таП: кЬепаи'йгатЫег.ш
тронов для ускорения в кильватерной волне может быть сформирован из фоновых электронов плазмы. Например [3,4], фоновые электроны плазмы могут быть захвачены нелинейной кильватерной волной при ее опрокидывании или при ее распространении в неоднородной плазме. Из плазмы захватываются ускоряемые электроны также и при взаимодействии лазерного импульса с плазмой в так называемом пузырьковом (bubble) режиме. Все эти процессы существенно нестационарны, причем инжекция электронов в кильватерную волну и последующее их ускорение кильватерной волной происходят в течение одного неразрывного процесса. Именно так было реализовано квазимоноэнергетическое ускорение электронных сгустков в недавних экспериментах [6].
Однако для успешной реализации эксперимента по мопоэиергетическому ускорению электронов в такой неразрывной схеме инжекции и ускорения подбор параметров лазерно-плазменной системы должен удовлетворять одновременному решению двух задач: формированию сгустка захваченных фоновых электронов с подходящими параметрами и генерации такой кильватерной волны, в которой возможно его моноэнергетическое ускорение. Можно полагать, что управление экспериментом будет надежнее, а решение задачи моноэнергетического ускоре-
ния электронного сгустка станет более достижимым, если разделить инжекцию электронов в кильватерную волну и процесс генерации волны. Это возможно, если для получения ускоряемого сгустка электронов используется внешний инжектор.
В схемах ускорения электронов кильватерной волной с внешним инжектором при условии, что заряд электронного сгустка не столь велик, чтобы существенно влиять на генерацию кильватерной волны лазерным импульсом, проблема моноэнергетического лазерно-плазменного ускорения электронов распадается на две независимые задачи, которые теоретически и технологически можно решать раздельно генерацию кильватерной волны, обладающей нужными характеристиками, и собственно ускорение электронного сгустка в ней. В настоящем исследовании вопросы генерации кильватерной волны лазерным импульсом не рассматриваются. Считается, что кильватерная волна стационарна, т. е. распространяется по волноводной структуре без изменения своей амплитуды и фазовой скорости, и все ее характеристики изначально известны и обладают нужными свойствами. Цель исследования состоит в выявлении такого режима инжекции и ускорения в заданной кильватерной волне сгустка электронов, чтобы величина разброса по энергии между электронами сгустка после ускорения была достаточно малой.
При использовании внешнего инжектора возникает проблема, препятствующая реализации моноэнергетического ускорения электронов. Известно [5], что для моноэнергетического ускорения сгустка электронов необходимо, чтобы его длина на стадии ускорения была много меньше длины кильватерной волны, размер которой довольно мал. Например, в случае использования импульса С0-2-лазера, с помощью которого можно генерировать наиболее длинные кильватерные волны, ее длина составляет около 1000 мкм. Чтобы обеспечить моиоэнергетич-ность сгустка ускоренных электронов в несколько процентов, его длина на стадии ускорения должна быть менее 10 мкм, иначе разные по величине силы, действующие со стороны кильватерного потенциала на разные электроны сгустка, приведут к накоплению слишком большого разброса по энергии между ними. Иными словами, величина энергии, получаемая электроном сгустка в поле кильватерной волны, очень чувствительна к начальным условиям процесса его ускорения в ней. Чем компактнее сгусток электронов в начале ускорения и чем меньше различаются начальные условия движения электронов в кильватерном поле по энергии инжекции, тем более мо-ноэнергетичен будет процесс лазерно-плазменного
ускорения электронного сгустка.
Но современные инжекторы не могут приготовить столь короткие (10 мкм и менее) сгустки электронов. Поэтому в случае использования внешнего инжектора как генератора сгустков электронов для ускорения предполагается, что процесс взаимодействия электронов сгустка с кильватерным полем организован таким образом, что на стадии их захвата в кильватерную волну происходит существенное сокращение длины сгустка. Существует несколько основных схем ввода электронного сгустка в лазер-но-плазменную систему.
На конференциях [7,8] была предложена схема, в которой сгусток электронов инжектируется в плазменный канал впереди лазерного импульса, генерирующего кильватерную волну, но со скоростью, меньшей фазовой скорости волны. Было показано, что после стадии захвата длина сгустка может сокращаться в сотни раз, что в принципе позволяет использовать сгустки от современных инжекторов, которые к началу стадии ускорения могут быть приведены к достаточно малой длине и затем ускорены до больших значений энергии с очень малым энергетическим разбросом (около 0.1%) между электронами [9]. Большую роль в достижении этого результата играет то обстоятельство, что в этой схеме инжекции сгусток инжектируется в область пространства перед лазерным импульсом, свободную от внешних полей. Поэтому если сгусток моиоэиер-гетичеи в момент инжекции и влиянием собственного заряда сгустка на движение электронов можно пренебречь, то все электроны сгустка начинают свое движение с одинаковыми начальными условиями в энергетическом плане и их траектории подобны друг другу. Учет начальной немоноэнергетнчностн инжектированного сгустка электронов [10,11] приводит к разбросу начальных условий движения электронов сгустка, что сразу ухудшает моноэнергетич-ность процесса ускорения сгустка. Тем не менее и в этом случае при выборе подходящих условий инжекции возможно ускорение сгустка электронов до энергий в несколько гигаэлектронвольт при относительном разбросе по энергии между ними менее 1 % [11].
Однако в этой схеме инжекции неизбежно возникает воздействие лазерного импульса на электроны, когда лазерный импульс обгоняет сгусток, что может ухудшать поперечный эмиттанс сгустка. Кроме того, стадия захвата сгустка кильватерной волной получается более длинной. Этих недостатков лишены схемы инжекции, в которых электронный сгусток инжектируется позади лазерного импульса, т.е. сразу в кильватерное поле.
Одна из давно известных схем ввода сгустка в лазерно-плазменную систему предлагает инжектировать электроны в область максимума потенциала кильватерной волны со скоростью, меньшей фазовой скорости волны, т. е. с энергией, меньшей резонансной, но достаточной для их захвата кильватерной волной для последующего ускорения. Было показано [12], что в этой схеме инжекции на стадии захвата также происходит продольное сжатие сгустка к меньшей длине, более подходящей для последующего моноэнергетического ускорения.
Но инжекция относительно длинного сгустка электронов в область фаз кильватерной волны вблизи максимума кильватерного потенциала приводит к тому, что разные его электроны, ввиду конечной длины сгустка, изначально оказываются в точках пространства с очень разными значениями кильватерного потенциала. С одной стороны, именно в результате этого в дальнейшем происходит продольное сжатие сгустка на стадии захвата, а с другой стороны, влияние начальных условий на движение электронов в поле кильватерной волны усиливается. В общем случае это обстоятельство не благоприятствует моиоэпергетическому ускорению электронов.
Настоящая работа посвящена исследованию процесса захвата и ускорения электронного сгустка, когда электроны инжектируются в окрестность максимума потенциала такой кильватерной волны, которая характеризуется, по сравнению с линейной кильватерной волной, большим перекрытием ускоряющей и фокусирующей фаз. Данное обстоятельство позволяет при некоторых условиях ослабить влияние размеров сгустка на моноэнергетичность его лазерно-плазменного ускорения. Помимо конечной длины сгустка учитывается также его исходная немоноэнергетичность как дополнительный фактор, приводящий к различию в начальных условиях движения электронов сгустка в поле кильватерной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.