Экстремальный свет ускоряет ионы
[РарИ]
В.Ю.Быченков
Появление мощных лазеров с длительностью импульса излучения порядка 1 пс и короче (т.е. менее 10-12 с) ознаменовало собой конец монополии ускорителей на получение частиц высоких энергий. Дело в том, что даже сравнительно невысокая энергия, порядка 100 Дж, сконцентрированная в таком малом временном интервале в пятне размером несколько микрометров (это доступно сегодняшней технике фокусировки лазерного света), обеспечивает плотность потока энергии (интенсивность), превосходящую 1 022 Вт/см2. Даже при ин-тенсивностях на три порядка ниже взаимодействующий с оптическим импульсом электрон способен разогнаться до релятивистской энергии на расстоянии, меньшем одного лазерного периода. О таких импульсах принято говорить как о релятивистски сильных — именно о них и пойдет речь в этой статье. Релятивистски сильный лазерный импульс, падая на мишень из любого вещества, превращает ее в плазму, причем уже на самом переднем своем фронте, где интенсивность еще на несколько порядков меньше, чем в максимуме. При этом взаимодействие лазерного излучения фактически происходит уже с плазмой. Электрические поля, которые в ней создаются, огромны. Они на многие порядки превосходят типичное поле в ускорителе и могут ускорять части© Быченков В.Ю., 2012
Валерий Юрьевич Быченков, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Отделения квантовой радиофизики Физического института им.П.НЛебедева РАН. Занимается теорией плазмы, включая плазму термоядерного синтеза и релятивистскую плазму в экстремальных световых полях.
цы на значительно меньшем расстоянии. Открывается возможность создания компактных ускорителей нового типа — лазерно-плазмен-ных источников высокоэнергетичных частиц.
Как возникает ускоряющее поле?
Какой же величины электрические поля могут возникать в плазменной мишени, с которой взаимодействует лазерный импульс? На сегодняшний день наибольшая интенсивность достигается при использовании титан-сапфирового лазера с активной средой из монокристалла сапфира с примесью ионов титана. Длина волны излучения такого лазера составляет 0.8 мкм. Если учесть, что спектр видимого света занимает диапазон от =0.38 мкм (фиолетовый) до 0.78 мкм (красный), то данное излучение, формально относясь к ближнему инфракрасному диапазону, вполне отвечает бытовому понятию света. В последние годы за таким интенсивным лазерным излучением закрепилось красивое название «экстремальный свет». Рекордная интенсивность 2 1022 Вт/см2 достигнута именно на титан-сапфировой лазерной установке («Геркулес», Центр ультрабыстрых оптических исследований Мичиганского университета, США) [1]. Существенно большие значения ожидаются в случае успешного создания лазерной установки «Аполлон» в рамках реализации панъевропейского проекта ELI («Extreme Light Infrastructure» — «Инфраструктура экстремального света») — 1 023— 1024 Вт/см2 [2]. В режиме максимальной интенсивности лазера «Геркулес» напряженность лазерного электрического поля составляет ~1015 В/м; для лазера «Аполлон» она будет выше чем 1016 В/м, что достаточно для того, чтобы создавать электрон-по-зитронные пары прямо из вакуума. Попутно заметим, что даже такая большая лазерная система, как «Аполлон», несравненно меньше, чем
традиционные ускорители частиц высоких энергий (речь идет о десятках метров вместо километров). При взаимодействии излучения с твердой мишенью, в качестве которой обычно используют тонкие листочки фольги, энергия лазера трансформируется в энергию электростатического поля. Типичная схема такой трансформации энергии света представляется цепочкой:
лазер ^ электроны ^ поле,
т.е. сначала — нагрев и ускорение электронов, затем — генерация высокоэнергетичными электронами электростатических плазменных полей, причем все это — на субпикосекундных временах. В типичных условиях современных экспериментов вполне можно рассчитывать, что несколько процентов лазерной энергии перейдет в энергию плазменных полей. Для установок «Геркулес» и «Аполлон» эти проценты отвечают величине напряженности электрического плазменного поля в мишени ~1014 В/м = 100 ТВ/м (ТВ — теравольт) и 1015 В/м = 1 ПВ/м (ПВ — петавольт) соответственно. Такие поля на несколько порядков выше внутриатомных и могут быть разве что у нейтронных звезд. Со сверхсильными полями связываются надежды на создание точечных источников частиц с энергией от сотен мегаэлектронвольт до гига-электронвольт, и уже сейчас проводимые эксперименты свидетельствуют о генерации электростатических полей порядка единиц теравольт на метр.
Научно-популярному изложению проблемы лазерного ускорения частиц уже уделялось внимание на страницах «Природы» [3] и других журналов [4], с преимущественным акцентом на ускорение электронов, успехи в котором устойчиво отмечаются на протяжении последних лет. Полученная в экспериментах энергия лазерно-ускоренных электронов уже преодолела знаковую отметку в 1 ГэВ. В отличие от электронов и вопреки теоретическим предсказаниям, для тяжелых частиц — ионов (причем в основном — протонов) напряженный поиск эффективных способов ускорения на протяжении последних 10 лет не привел к ожидавшемуся существенному повышению энергии генерируемых частиц. Еще в 1999 г. в США с помощью однопета-ваттного лазерного импульса установки «NOVA» (Ливерморская национальная лаборатория) были получены протоны с максимальной энергией 58 МэВ [5]. В течение многих лет этот рекорд оставался непревзойденным, и только недавно, опять же в США (в Лос-Аламосской национальной лаборатории), его удалось побить с не очень впечатляющим на первый взгляд результатом — ускорением протонов до максимальной энергии 67 МэВ [6]. Впечатление улучшится, если учесть, что в последнем случае энергия лазерного импульса была в пять раз меньше (~80 Дж [6] вместо ~400 Дж [5]), т.е. вместо эффективности 0.15 МэВ/Дж получено 0.84 МэВ/Дж. Однако повышение эффективности генерации протонов примерно в пять раз блекнет
на фоне успехов в ускорении электронов, где она за тот же промежуток времени выросла на два порядка. В этом и состоит главная интрига дня лазерной физики высоких энергий — что мешает такому же прогрессу в ускорении тяжелых частиц? Что можно/нужно улучшать в существующих схемах ускорения? Или следует предложить новые — тогда какие? Стоит ли ожидать в ближайшее время бума в ускорении ионов? Вряд ли сейчас можно дать исчерпывающие ответы на перечисленные вопросы, но мы постараемся хотя бы оценить трудности и обсудить пути их преодоления для повышения эффективности лазерного ускорения ионов.
Обычно ускорения ионов добиваются, облучая коротким лазерным импульсом мишень в виде тонкой фольги, с противоположной стороны которой как раз и вылетает пучок ускоренных частиц. Все ясно и просто, но, как часто бывает, «дьявол — в деталях», и первый курьез, с которым столкнулись исследователи, действительно напоминал его происки. Казалось бы, чтобы получить ионы высокой энергии заданного элемента таблицы Менделеева, нужно всего лишь облучить лазером изготовленную из него фольгу. Тем удивительнее стало обнаружение только высокоэнергетич-ных ионов водорода (протонов), но не ионов вещества мишени, независимо от того, из какого материала была фольга: из металла, диэлектрика, органики. Чтобы понять этот факт, обратимся к типичной схеме лазерного ускорения, представленной на рис.1 и иллюстрирующей, в частности, уже упомянутую цепочку изменения формы энергии. Несмотря на то что эксперименты по облучению мишени лазерными импульсами проводятся в вакуумной камере, поверхность фольги оказывается покрытой тончайшей пленкой воды, карбогидра-тов и т.д. — контаминантом нанометровой толщины. Таким образом, на тыльной стороне облучаемой фольги, в слое толщиной 2 — 3 нм, естественным образом оказываются сконцентрированы атомы водорода, ионизация которого дает протоны, т.е. частицы, обладающие максимальным отношением заряда к массе и, следовательно, наиболее легко ускоряемые электрическим полем.
Откуда же берется такое электрическое поле на тыльной стороне мишени, которое, во-первых, ее ионизирует и, во-вторых, ускоряет протоны? Ответ довольно прост. Прежде всего лазерное излучение ионизирует фронтальную поверхность мишени и ускоряет образовавшиеся там электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с ее противоположной стороны. Источником этих электронов чаще служит плазменная корона (пре-плазма), возникающая у передней поверхности мишени из-за того, что по техническим причинам лазерному импульсу предшествует достаточно длинный, мультипикосекундной или даже наносе-кундной длительности, малоинтенсивный световой сигнал (предымпульс). А разгоняет электроны уже основной лазерный импульс — благодаря силе
ускорение электронов
Рис.1. Типичная схема ускорения протонов из фольги, облучаемой лазерным импульсом.
Лоренца, действующей в направлении распространения импульса (сначала электрическая компонента поля импульса заставляет их двигаться вдоль поверхности мишени, затем вступает в игру магнитная компонента и увлекает их от поверхности). Поскольку электроны — релятивистские, эта сила достаточно велика, но улететь далеко за фольгу частицам, ускоренным в направлении лазерного импульса, не удается — их тормозит электрическое поле ионов, остающихся в фольге. В результате вблизи задней поверхности фольги образуются отрицательно заряженное облако электронов (виртуальный катод) и электрическое поле разделения заряда, которое направлено перпендикулярно к поверхности мишени. Поле такого двойного слоя ионизирует атомы, находящиеся у задней поверхности мишени. И тогда под действием все того же поля ионы с задней стороны фольги начинают ускоряться. При этом, как отмечалось, сильнее всего ускоряются протоны, набирающие максимальную скорость и энергию в расчете на один нуклон, т.е. энергия электростатического поля в цепочке превращений большей частью переходит в ускоренные протоны, тогда как меньшая ее часть достается более тяжелым ионам. В итоге экспериментально в качестве высокоэнергетичной компоненты будут регистрироваться именно протоны. Чтобы добиться эффективно
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.