ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 8, с. 707-720
ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.95
ЗАХВАТ ЭЛЕКТРОНОВ И УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СГУСТКА
В КИЛЬВАТЕРНОЙ ВОЛНЕ
© 2014 г. С. В. Кузнецов
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, Россия e-mail: shenau@rambler.ru Поступила в редакцию 06.09.2013 г.
Окончательный вариант получен 17.02.2014 г.
Проведено исследование процесса захвата кильватерной волной, возбуждаемой лазерным импульсом в плазменном канале, электронов из сгустков, инжектируемых в окрестность максимума потенциала кильватерного поля со скоростью меньше фазовой скорости волны. Рассмотрен механизм формирования компактного сгустка электронов в области их захвата кильватерной волной, когда для последующего ускорения в кильватерном поле в основном сохраняются только те электроны инжектированного сгустка, точка захвата которых находится в его фокусирующей области. Аналитически и посредством численного моделирования изучено влияние пространственных размеров инжектируемого сгустка и его немоноэнергетичности на длину сгустка захваченных электронов, а также долю захватываемых частиц. Для инжектированных сгустков электронов различных пространственных размеров относительно характерных размеров кильватерной волны исследовано влияние величины их энергии инжекции на параметры сгустка высокоэнергичных электронов, захваченных и ускоренных в кильватерном поле.
DOI: 10.7868/S0367292114080058
1. ВВЕДЕНИЕ
Эксперименты по моноэнергетическому ла-зерно-плазменному ускорению сгустков электронов, выполненные за последнее десятилетие в ряде лабораторий (см. обзорную статью, суммирующую экспериментальные результаты [1]), демонстрируют рост средней энергии электронов ускоренного сгустка до величин ~1 ГэВ. Наилучший результат на настоящее время представлен в работе [2], в которой импульс петаваттного лазера (длительность импульса 150 фс, длина волны 1.057 мкм) в газонаполненном капилляре на длине порядка 1 см ускоряет сгусток электронов до энергии 2 ГэВ. При этом достигнутая степень мо-ноэнергетичности ускоренного сгустка составляет ~5—10% в относительном разбросе по энергии между электронами сгустка.
Моноэнергетичность электронов сгустка после ускорения очень важна для практических приложений. Желаемая степень моноэнергетич-ности электронов должна быть не более 1%, а в некоторых случаях должна составлять десятые доли процента [3, 4]. Очевидно, что качественные характеристики (моноэнергетичность, эмиттанс) ускоренного сгустка электронов в большой степени определяются способом, при помощи которого электроны вводятся в ускоряющее кильватерное поле, а также исходными характеристиками инжектируемого сгустка.
В настоящее время в экспериментах наиболее распространен способ инжекции, когда электроны самоинжектируются в кильватерное поле, генерируемое лазерным импульсом при его взаимодействии с плазмой в так называемом ЬиЬЬ1е-ре-жиме [2, 5, 6], в котором позади лазерного импульса образуется каверна в виде округлой области, практически не содержащей электронов. Преимуществом этой схемы ввода электронов в кильватерное поле считается упрощение конструкции лазерно-плазменного ускорителя, не нуждающейся в специальном внешнем инжекторе или в каких-либо дополнительных устройствах, инициирующих захват электронов плазмы кильватерной волной. Но процесс самоинжекции электронов в ЬиЬЬ1е-режиме по своей природе является нестационарным — эволюция каверны определяет динамику процесса самоинжекции в нее электронов, что в свою очередь определяет основные характеристики ускоренного электронного сгустка, такие как разброс электронов по энергии нем и их угловую расходимость [2], а также воспроизводимость результатов эксперимента. Теория этих взаимосвязанных процессов в настоящее время находится в начальной стадии развития и не дает рекомендаций для управления экспериментом и для получения сгустков ускоренных электронов требуемых качественных характеристик.
Существуют способы сделать инжекцию электронов в кильватерную волну более контролируе-
мой. Их суть состоит в том, чтобы тем или иным способом разорвать прямую связь между инжек-цией электронов, которые предполагается ускорять в кильватерной волне, и процессом генерации лазерным импульсом самой кильватерной волны. Это может быть реализовано, например, посредством использования одного или нескольких вспомогательных более слабых лазерных импульсов, которые в определенный момент времени, согласованный с основным лазерным импульсом, генерирующим кильватерную волну, воздействуют на фоновые электроны плазмы и способствуют их захвату [7, 8]. Достаточно мощный вспомогательный лазерный импульс можно также использовать для того, чтобы в нужной фазе кильватерной волны дополнительно ионизовать не полностью ионизованную плазму, в которой она распространяется. Появляющиеся электроны, вырванные этим лазерным импульсом посредством процесса фотоионизации из не полностью ионизованного газа, могут быть захвачены кильватерной волной [7].
Относительно недавно был предложен способ инициирования захвата электронов кильватерной волной, состоящий в том, что в газ, который ионизуется лазерным импульсом с генерацией в нем кильватерной волны, добавляется малая примесь другого газа [9]. Причем атомы газа примеси обладают таким набором электронных оболочек, что с наиболее глубоких из них электроны вырываются лазерным полем, генерирующего кильватерную волну импульса, лишь в окрестности максимума его величины. В итоге получается, что кильватерная волна формируется большой массой электронов, производимых при ионизации основного газа, влияние примеси в этом смысле несущественно. Зато электроны, рождающиеся при ионизации примеси в окрестности максимума величины поля лазерного импульса оказываются в таких условиях, что затем эффективно захватываются кильватерным полем, генерируемым лазерным импульсом [9].
В настоящей работе предполагается, что инжектируемый в кильватерное поле сгусток электронов генерируется электронным фотокатодным ВЧ—инжектором. Все начальные характеристики сгустка и условия его инжекции в кильватерную волну считаются известными. 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 слабонелинейная кильватерная волна стационарна, то есть распространяется по волноводной структуре без изменения своей амплитуды, формы и фазовой скорости, и все ее характеристики изначально известны и обладают нужными свойствами. Расчет характеристик кильватерной волны, согласно известным параметрам генерирующего ее лазерного импульса и параметрам согласованного с лазерным импульсом плазменного канала производился численным кодом, описанным в работе [10]. Модель кильватерного поля и уравнения, на основе которых создавался численный код, изложены в работах [11, 12].
При таком подходе, когда кильватерное поле является неизменным, задача о захвате и ускорении электронного сгустка, инжектированного в кильватерную волну, в общем случае состоит из аналитического определения изменения всех характеристик (пространственные координаты, импульс, энергия) каждого электрона, составляющего сгусток; определения на основе этих величин необходимых статистических характеристик, описывающих сгусток в любой момент времени, и затем исследование их зависимости от его начальных характеристик в момент инжекции. Далее, полученные аналитические соотношения должны быть проверены посредством численного расчета траекторий электронов сгустка в том же кильватерном поле и численного определения на их основе статистических характеристик электронного сгустка. Основной целью данной работы является выявление влияния пространственных размеров инжектируемого немоноэнергети-ческого сгустка электронов на длину сгустка захваченных электронов, поскольку от длины сгустка на ускоряющей стадии в значительной мере зависит его моноэнергетичность после ускорения [13, 14].
Длину захваченного сгустка электронов, ускоряющегося в кильватерной волне, определяет процесс формирования сгустка ускоряемых электронов на стадии захвата, который зависит от параметров сгустка в момент инжекции, от параметров кильватерного поля и от фазы кильватерной волны, в которую инжектируются электроны [15—18]. В данной работе рассматривается такая схема лазерно-плазменного ускорителя, в которой электроны от электронного фотокатодного ВЧ-инжектора вводятся в кильватерное поле в область вблизи максимума кильватерного потенциала со скоростью меньшей фазовой скорости кильватерной волны [17, 18].
При инжекции электронов в окрестность максимума потенциала кильватерной волны со ско-
ростью меньшей ее фазовой скорости наблюдается явление группировки электронов [19—21], вследствие которого в области захвата электроны формирующегося для ускорения сгустка располагаются вдоль продольной оси сгустка более плотно, чем в момент инжекции. В дальнейшем в процессе ускорения взаимное расположение электронов по продольной координате практически не изменяется, поскольку скорость всех захваченных электронов близка к скорости света. Поэтому длина электронного сгустка на ускоряющей стадии равна его длине в области захвата. Явление группировки электронов позволяет сжать инжектируемый сгусток в продольном направлении и, как было показано в работах [19, 20], при условии достаточной фокусировки электронного сгустка в момент инжекции (одномерное приближение) можно получить к началу ускоряющей стадии после захвата электронов сгусток меньшей длины, более пригодный для моноэнергетического ускорения.
Поперечные размеры сгустка в момент инжекции также влияют на длину сгустка после з
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.