Doktor fyzikálních a matematických věd Valery Bychenkov, hlavní výzkumný pracovník Fyzikálního institutu pojmenovaného po. P. N. Lebeděva Ruské akademie věd.

Je to možná vzácná oblast vědění, která se může pochlubit tak rychlým rozvojem jako laserová věda a technologie. Kdo by si mohl představit, že první optický kvantový generátor, vytvořený před pouhými padesáti lety, povede k řetězové reakci nápadů na široké využití laserů a udělá z nich nepostradatelný nástroj v rozmanitých lidských činnostech. Proces vývoje laserové technologie však ještě není zdaleka dokončen a lze doufat, že v následujících letech povede ke vzniku nových laserových systémů pro unikátní praktické mezioborové aplikace. Taková očekávání jsou spojena s vytvářením a používáním ultrakrátkých laserů v předních světových laserových centrech, nepřesahujících 1 pikosekundu (ps) = 10–12 s a dosahující až 10 femtosekund (fs) = 10–14 s. Nové nápady pro použití ultrakrátkých laserových pulzů s vysokou intenzitou předvídají ty nejdivočejší sci-fi předpovědi. Jejich beseda by mohla zaplnit celou knihu, ale zatím se omezím na povídku pouze o jednom z nich.

Věda a život // Ilustrace

Laserová instalace "Hercules" Centra pro ultrarychlé optické jevy na University of Michigan (USA). Fotografii poskytl Anatoly Maksimchuk, výzkumník Centra.

Lineární urychlovač ve Stanford National Accelerator Laboratory (USA). Foto Peter Kaminski.

Enrico Fermi s nákresem cyklotronu o průměru více než 12,5 tisíce kilometrů - fermitron.

Schéma urychlení elektronu při samozaostřování laserového pulsu v plazmatu. Při délce 1 centimetru získávají energii až 800 MeV.

Bublina vytvořená laserem urychluje elektrony vržené (vstřikované) do plazmatu. Akcelerační pole je soustředěno poblíž jeho zadní hranice.

Schéma urychlení protonu ze zadní plochy fólie. Vylétají z vodíkových atomů vody a pokrývají fólii tenkým filmem.

Urychlení protonů z ultratenké fólie v režimu řízené Coulombovy exploze.

Co je tedy na laserech s ultrakrátkou dobou trvání tak atraktivního? Předně právě pro jeho extrémně krátkou výdrž, která umožňuje dosáhnout rekordního výkonu s rozumnou energií laseru. Pro relativně nízkou energii laseru 30 J je tedy výkon odpovídající délce laserového pulsu 30 fs 1 petawatt (PW) = 10 15 W, to znamená, že převyšuje celkový výkon všech elektráren na světě! Laserové záření navíc umožňuje koncentraci energie v objemu o velikosti mikronů a tím zaznamenat hustotu energie. Moderní metody fokusace laserového záření umožňují redukovat laserové paprsky na bod s velikostí blízkou difrakční meze, řádově 1 mikron (µm). V souladu s tím může hustota toku energie 1 PW laserového pulsu dosáhnout až 1023 W/cm2. Již nyní bylo na méně výkonné, 300 TW, instalaci Hercules dosaženo rekordní intenzity 2 × 10 22 W/cm 2 . Pokud vezmeme v úvahu, že energie, kterou může nést ultrakrátký laserový puls, může dosáhnout stovek joulů, pak bychom měli v příštích letech očekávat výskyt ještě intenzivnějších laserů. Navíc nejde o obří „laserové továrny“ na energetické úrovni megajoulů, které v současnosti vznikají pro účely laserové termonukleární fúze, ale o vcelku kompaktní instalace v laboratorním měřítku. Obvykle se o nich mluví jako o supervýkonných laserech na stole. A pokud se takové lasery objeví, vytvoří na stole supersilná elektrická pole schopná urychlit částice, a to s rychlostí zrychlení, která daleko převyšuje rychlost dosahovanou u urychlovačů, včetně největší experimentální instalace na světě – Velkého hadronového urychlovače? Odpověď na tuto otázku je kladná, ale než ji probereme podrobně, pojďme se na ni podívat z historické stránky.

V průběhu minulého století si zvídavé lidstvo vytrvale osvojovalo různé typy urychlovačů a snažilo se urychlovat nabité částice na stále vyšší energie, což bylo zapotřebí k pochopení tajemství mikrosvěta. Vznikl samostatný obor fyziky elementárních částic - fyzika vysokých energií - který studuje interakce elementárních částic při srážkových energiích výrazně přesahujících hmotnosti samotných srážejících se částic. Čím vyšší energie jsou však částice urychlovány, tím větší je urychlovač. Největší lineární urychlovač je postaven na Stanfordské univerzitě (USA) a na délce 3,2 km urychluje elektrony a pozitrony na energie asi 50 GeV. Všimněte si, že lineární urychlovače mají oproti cyklickým urychlovačům jednu významnou výhodu - elektrony v nich neztrácejí energii, protože díky konstantní rychlosti ve velikosti a směru téměř nevyzařují. Konečná energie částic může být zvýšena pouhým zvětšením délky, ale to je omezeno ekonomickými důvody. Faktem je, že u urychlovačů dochází ke zvýšení energie nabitých částic pod vlivem elektrického pole nasměrovaného podél hybnosti částice a všechny části urychlovače se skládají z atomů, jejichž elektrony se snadno oddělují od jádra, pokud je aplikováno dostatečně silné elektrické pole. V nejlepších případech je možné dosáhnout síly vysokého napětí odpovídající intenzitě pole řádově 100 megavoltů (MV)
na metr S dalším nárůstem napětí začíná intenzivní vymršťování elektronů z povrchu materiálů, které narážejí na stěny a vytvářejí laviny sekundárních elektronů. Poté dojde k vysokonapěťovému výboji, který vede ke zničení.

V lineárních urychlovačích jsou částice světla typicky urychlovány vysokofrekvenčním elektrickým polem, pohybujícím se synchronně (v rezonanci) se změnami pole, takže elektrická síla je vzhledem k pohybující se částici vždy ve fázi urychlení. V podstatě se využívá princip „surfování částic“ na vysokofrekvenční vlně. Ve velkých lineárních urychlovačích je vysokofrekvenční energie generována velkými vakuovými zařízeními zvanými klystrony při frekvencích několika gigahertzů (GHz). Hrozba průrazu výrazně omezuje přípustnou intenzitu vysokofrekvenčního pole a tím i míru energetického zisku. Pomineme-li ekonomickou proveditelnost, planeta Země sama o sobě omezuje maximální energii částic, které lze dosáhnout pomocí tradičních urychlovačů. V tomto ohledu je zajímavé připomenout hypotetický, celozemský urychlovač, který lze nazvat fermitronem, neboť jeho náčrt zhotovil E. Fermi ve 40. letech 20. století. Ani takový urychlovač nedovolí elektronu získat energii nad 1 petaelektronvolt (PeV) = 10 15 eV. Je zřejmé, že pouhé zvětšení délky akcelerátoru vede do slepé uličky, pokud si klademe za cíl kvalitativní průlom v účinnosti akcelerace. Pokud elektrony potřebují délku 1 GeV k dosažení 1 GeV v lineárním urychlovači,
100 m, pak na energii 1 TeV bude potřeba urychlovač o délce 100 km!

Výrazné zvýšení rychlosti urychlování částic pomocí vysokovýkonných krátkopulzních laserů by mohlo radikálně zmenšit velikost urychlovače. Diskutované laserové pulsy skutečně mohou vybudit supersilná pole, ale to, jak jsme viděli, nestačí. Je nutné opustit vakuum s konstrukčními prvky tradiční technologie urychlovačů a nahradit ho médiem schopným odolat ultrasilným polím. A tady přichází na pomoc sama příroda. Pod vlivem intenzivních laserových pulzů se jakákoliv látka mění v plazmu. To je snadno pochopitelné, pokud uvážíme, že vnitroatomová pole se ve srovnání s laserovými poli ukáží jako malá. Laserový puls, který se šíří například plynem, jej na přední hraně zcela ionizuje. Plazma vznikající za frontou je oním úrodným prostředím, které v něm umožňuje existenci obřích elektrických polí. A pokud limitní elektrické pole pro tradiční urychlovač, jak jsme viděli, nepřesahuje 100 MV/m, pak v plazmatu může být minimálně o tři řády vyšší – 100 GV/m, a tedy délka urychlovač může být stejně krát méně! Nezbývá než vytvořit v plazmatu vysokofrekvenční pole podobné poli v lineárním urychlovači. To bylo vynalezeno před více než třiceti lety, ale teprve nedávno bylo implementováno k výrobě svazků elektronů s energiemi stovek MeV.

Laserový pulz, který se šíří v plazmatu, vytlačuje elektrony. Protože jsou ionty příliš masivní, zůstávají prakticky nehybné a vytvářejí jednotné, kladně nabité pozadí. Elektrické pole tohoto kladného náboje má tendenci vracet zpět elektrony vytlačené pulzem. Elektrony urychlené tímto polem přestřelí svou výchozí polohu. Takto vznikají oscilace vzhledem k iontům, které se nazývají plazmové oscilace. Jak laserový puls prochází plazmatem, tyto oscilace následují přímo za ním. Na konci pulsu se objeví oblast snížené elektronové hustoty, následovaná zvýšenou, poté opět sníženou atd. V takové vlně, vlně oddělující náboj, fyziky nazývané vlně bdění, se fáze šíří plazmatem rychlostí impulsu (blízko rychlosti světla). Elektrické pole této vlny je podobné vysokofrekvenčnímu poli lineárního urychlovače. V jedné polovině periody je nasměrován ve směru šíření impulsu a ve druhé - v opačném směru. Nyní musíte umístit elektron s počáteční rychlostí blízkou rychlosti pulsu do urychlovací části plazmového půlcyklu a poté se pohybující se spolu s vlnou začne zrychlovat. Tento způsob zrychlení se nazývá zrychlení bdění. Bude však fungovat pouze v případě, že se laserový puls, šířící se plazmatem, nebude rozcházet. A zde opět přichází na pomoc příroda v podobě fenoménu sebezaostřování světla v plazmatu, který v roce 1961 předpověděl sovětský fyzik G. A. Askaryan. Umožňuje laserovému pulsu projít dlouhou vzdálenost v plazmatu téměř bez ztráty intenzity, čímž poskytuje urychleným částicím velký zisk energie. Dnešní rekord pro energii urychlených elektronů je 800 MeV. Takovou energii získaly na délce 1 cm Když se uměle pomohl laserovému pulzu, aby se nerozcházel, jeho nasměrováním přes kapiláru naplněnou plazmatem, bylo možné urychlit elektrony na energii 1 GeV na délce 3 cm.

Všimněte si, že elektronové energie stovek MeV získané během zrychlení brázdy byly dosaženy jako výsledek excitace laserovým pulzem velmi zvláštního plazmového pole, které mělo pouze jednu periodu. V tomto režimu intenzita světelného pulzu přesáhla 10 19 W/cm 2 a tlak světla na elektrony plazmatu byl tak velký, že se za pulzem objevila zaoblená oblast, ve které nebyly prakticky žádné elektrony. Tento režim se nazývá bublinový režim. Ve skutečnosti za impulsem letí kladně nabitá díra s charakteristickou velikostí řádově průměru laserové skvrny (10–20 mikronů); plazmové pole schopné urychlovat elektrony je soustředěno poblíž jeho zadní hranice. A zde je legitimní otázka: o jakém zrychlení můžeme mluvit, když na první pohled ve formující se struktuře není co urychlovat, protože téměř všechny elektrony jsou vytlačeny z bubliny. To jasně demonstruje problém zrychlení brázdy – zajištění účinného vstřikování elektronů do urychlujícího pole plazmatu. K tomu však dochází i bez přijetí zvláštních opatření. Jedná se o tzv. samoinjekci, kdy je z různých důvodů do urychlovacího pole vstřikováno malé množství elektronů relativistickou rychlostí. V bublinovém režimu k tomu dochází v důsledku radiálního elektrického pole kladně nabité bubliny. Na obrázku je trajektorie těchto elektronů sbírajících se z okraje bubliny znázorněna půlkruhovou šipkou. Protože takových elektronů je málo, je proud urychlených částic velmi malý. Zpravidla hovoříme o celkovém náboji částic urychlených na vysokou energii na úrovni pouhých desítek pikokulombů (10–12 C).

Již delší dobu jsou diskutována různá schémata vhánění elektronů do urychlujícího pole plazmatu, umožňující získat elektrony rychlostí blízkou rychlosti světla a dosáhnout jich značného počtu. Bylo například navrženo použít předem připravený elektronový paprsek synchronizovaný s laserovým pulzem, do kterého je vstřikován. U této tzv. optické injekce se tlakem světla z dodatečného pulzu a řadou dalších speciálních technik vytvoří svazek elektronů. Nebudu se tím podrobně zabývat, ale jako příklad uvedu pouze jednu techniku, jejíž vzhled je spojen s kuriózním případem z osobní praxe.

My, teoretici FIAN, již řadu let spolupracujeme s experimentátory v Centru pro ultrarychlé optické jevy (CUOS) na University of Michigan (USA), kde zmíněný laserový systém Hercules pracuje s nejvyšší intenzitou na světě. Pomocí tohoto nastavení výzkumníci CUOS dosáhli stabilní generace elektronových svazků v bublinovém režimu při ozařování trysky plynného helia změnou parametrů laseru a trysky. My spolu s vědci z Ruského federálního jaderného centra - All-Russian Research Institute of Technical Physics pojmenovaný po. Akademik E.I. Zababakhin teoreticky rozvinul myšlenku takzvané ionizační injekce pro takový režim. Jeho smyslem je použít jako terč nikoli helium, které je v čele laserového pulsu zcela ionizované, za nímž nezbývají téměř žádné elektrony pro urychlení, ale těžší plyn. Do konce nebude ionizován náběžnou hranou laserového pulsu, ale může být dále ionizován při maximu pulsu, kde je silné laserové pole schopno odstranit elektrony ze spodních obalů atomu. Pak by tyto elektrony mohly být plazmovým polem účinněji zachyceny a urychleny, což by podle našeho názoru vedlo ke zvýšení proudu vysokoenergetických částic. Náš návrh použít těžší plyn se však setkal se skepsí experimentátorů CUOS a skutečně pro to existovaly rozumné argumenty. Těžký atom totiž při ionizaci produkuje tolik elektronů, že výsledné plazma brání průchodu laserového pulsu. Experimentátoři tedy pokračovali v pokusech s heliem a my, teoretici, jsme se snažili najít vhodnější těžký plyn. Jak už to tak bývá, pravda ležela uprostřed a k jejímu odhalení pomohla kuriózní příhoda.

Dosažení trvalé generace vysokoenergetických svazků elektronů vyžaduje, aby byly detekovatelné v každém laserovém výstřelu. To je ale s malým počtem urychlených částic nemožné. Taková víceméně stabilní generace však byla stále pozorována, a to pouze ráno, na začátku pracovního dne. Po dvou nebo třech hodinách se zastavil a po zbytek času experiment buď dal, nebo neprodukoval urychlené částice. Nakonec se objevila domněnka, že stabilnější generování elektronů v ranních hodinách umožňuje vzduch, který přes noc pronikl do potrubí, hadic a dalších zařízení vytvářejících proud helia. Pokus tedy ráno proběhl ne s absolutně čistým heliem, ale s heliem obsahujícím malou příměs těžkých atomů (dusík, kyslík). Tento odhad byl cíleně testován přidáním malých množství různých inertních plynů a dusíku do helia. Úpravou koncentrace těžkých atomů se experimentátorům CUOS podařilo zvýšit počet urychlených částic o dva řády. Tak byl objeven mechanismus ionizačního vstřikování elektronů. Dovolte mi poznamenat, že se právě vešlo ve známost o experimentech provedených výzkumníky z Kalifornské univerzity (Los Angeles) a americké Livermore National Laboratory, ve kterých bylo možné díky ionizační injekci urychlit elektrony na energii 1,5 GeV. . Vědecká komunita netrpělivě očekává zveřejnění těchto výsledků.

Dalším plazmatickým médiem, které by mohlo urychlit částice, je plazma o hustotě pevné látky. Vzniká přirozeně krátkým laserovým pulzem ozařujícím fólii. Tloušťka fólií se zpravidla pohybuje od jednoho mikronu do několika desítek. V posledních letech se jako zdroj relativistických elektronů široce používají laserové terče v pevné fázi. Na jejich základě byl dokonce vytvořen kontinuální „urychlovač“ pomocí laserových pulsů, které následují za sebou s vysokou, téměř kilohertzovou (tisíc pulsů za sekundu), opakovací frekvencí. Na pevných cílech je možné výrazně zvýšit počet elektronů urychlených v jednom laserovém záblesku. Jejich energie je však nižší než v případě plynného plazmatu. Zde se nebudeme zdržovat urychlováním elektronů z fólií, ale povíme si o urychlování těžších částic - protonů - s jejich pomocí.

Jak dochází k urychlení protonů, když jsou na fólii aplikovány vysoce výkonné krátké laserové pulsy? Laserové záření v prvé řadě ionizuje terč a urychluje vzniklé elektrony, které procházejí fólií a vylétají z její opačné strany. Zdrojem těchto elektronů je plazmová koróna (preplazma), která se objevuje na přední ploše terče tím, že z technických důvodů laserovému pulzu předchází poměrně dlouhá nanosekundová stupnice (1 ns = 10– 9 s), prepuls nízké intenzity (podstavec). Preplazmatické elektrony urychlené ve směru laserového pulsu nedoletí daleko za cíl, protože jsou zpomaleny elektrickým polem iontů zbývajících ve fólii. V důsledku toho se v blízkosti zadní plochy fólie vytvoří záporně nabitý mrak elektronů – virtuální katoda a elektrické pole, které směřuje kolmo k povrchu cíle a odděluje náboje. Ionizuje atomy umístěné na zadním povrchu cíle. Zpravidla (pokud neučiníte speciální opatření k čištění povrchu) je mezi tam vytvořenými ionty mnoho protonů. Vylétávají z atomů vodíku, které jsou součástí velmi tenkého filmu vody adsorbovaného na povrchu fólie. A pak se vlivem elektrického pole nábojové separace začnou protony zrychlovat a dosahují energií desítek MeV.

Oddělovací pole náboje samozřejmě také urychlí těžší cílové ionty létající za protony. Energie iontu získaná na nukleon však bude maximální pro protony, protože pro ně je poměr náboje k hmotnosti maximální. Pro zvýšení účinnosti přenosu energie na těžší ionty je nutné vyčistit zadní povrch fólie od vodního filmu zahřátím terče na vysokou teplotu nebo ozářením jeho povrchu slabým laserovým pulzem před příchodem hlavního pulzu. .

K dnešnímu dni je rekordní energie urychlených protonů asi 70 MeV. Cílem v následujících letech je tuto hodnotu při současné úrovni energie laseru výrazně zvýšit. Úspěch v tomto směru je spojen jak s pokrokem ve výrobě mikrocípů, tak se zlepšením kvality laserového pulsu. Ukažme si to na jednom příkladu z diskutovaných slibných schémat pro laserovou akceleraci protonů. Před několika lety bylo prokázáno, že nejvyšší energie urychlených protonů se dosahuje pomocí ultratenkých fólií. Požadovaná tloušťka fólie by měla být přibližně rovna hloubce vrstvy kůže, oblasti, do které laserové pole proniká za účelem ozařování husté plazmy. U plazmatu s hustotou v pevné fázi se tato hodnota pohybuje od několika do stovek nanometrů (1 nm = 10–7 cm) v závislosti na intenzitě laserového záření. Moderní technologie umožňují získat kvalitní nanometrové fólie vhodné pro použití jako terče. Interakce výkonného laserového pulzu s takovým cílem a urychlení částic probíhá v celém jeho objemu. Jelikož se energie elektronů stává relativistickou, můžeme hovořit o vzniku nového vědeckého směru – relativistické nanoplasmonice. Už jsme si řekli, že skutečný laserový puls není ideální – má předpuls, který snadno zničí tenký cíl ještě před příchodem hlavního pulsu. S příchodem technologie plazmových zrcadel je možné vyčistit laserový puls od prepulzu a s tím přichází naděje na účinnější urychlování protonů v blízké budoucnosti.

Jak by vypadalo schéma pro urychlení „ideálního“ laserového pulzu protonů z ultratenké fólie? Vezme se fólie submikronové velikosti sestávající ze směsi těžkých atomů a vodíku. Působením krátkého laserového pulzu se fólie ionizuje a vzniklé elektrony ji rychle opouštějí. Zbývající kladný náboj iontů podstoupí tzv. Coulombovu explozi. V tomto případě budou protony, které jsou nejlehčí, vytlačeny a vytvoří vrstvu, která bude urychlována elektrickým polem. Těžké ionty budou létat za protonovou vrstvou a budou na ni působit jako „Coulombův píst“. Toto schéma zrychlení protonu je potvrzeno trojrozměrnými numerickými simulacemi.

Na závěr této povídky podotýkám, že souběžně s vývojem metod pro laserovou akceleraci částic a metod pro zlepšení kvality generovaných svazků iontů a elektronů probíhá široká diskuse a experimentování o jejich praktickém využití. Mezi nimi:

rychlé zapálení termonukleárního terče (když jsou vysokoenergetické částice nasměrovány do stlačeného termojaderného paliva a zapálí ho, čímž dojde k fúzní reakci, podobně jako svíčka zapálí palivo ve spalovacím motoru);

elektronová a protonová radiografie (umožňuje vám vidět strukturu a vnitřní pole husté hmoty, jako je rentgen);

elektronová a hadronová terapie rakoviny (v současnosti dostupná pouze s použitím urychlovačů, což omezuje použití této léčebné metody);

iniciace jaderných reakcí, včetně produkce izotopů s krátkou životností a zdroje neutronů s krátkými pulzy (což z laserů dělá užitečný nástroj v jaderné fyzice a technologii);

nové zdroje elektromagnetického záření (od terahertzových vln po gama záření) a mnoho dalšího.

K dosažení všech těchto praktických výsledků bude před námi obtížná cesta, ale zisk bude úspěchem v celosvětovém měřítku.

Literatura

1. Yanovsky V., Chvykov V., Kalinchenko G., Rousseau P., Planchon T., Matsuoka T., Maksimchuk A., Nees J., Cheriaux G., Mourou G. a Krushelnick K. // Optics Express, 2008, v. 16, str. 2109.

2. Tajima T. a Dawson J. M. // Physical Review Letters, 1979, v. 43, str. 267.

3. Mordovanakis A. G., Easter J., Naumova N., Popov K., Masson-Laborde P-E., Hou B., Sokolov I., Mourou G., Glazyrin I. V., Rozmus W., Bychenkov V., Nees J. a Krushelnick K. // Physical Review Letters, 2009, v. 103, str. 235001.

4. Brantov A.V., Bychenkov V.Yu. // Fyzika plazmatu, 2010, v. 36, s. 279.

Květen 2006 č. 5 "VE SVĚTĚ VĚDY"
Fyzika

PLAZMOVÉ AKCELERÁTORY

Chandrashekar Joshi

V nových urychlovačích budou elementární částice akumulovat kolosální energii při klouzání po hřebenech plazmových vln.

S pomocí urychlovačů částic se fyzici snaží odhalit základní záhady přírody. V těchto obřích instalacích jsou nabité částice urychleny téměř na rychlost světla a poté se navzájem srazí, čímž se znovu vytvoří podmínky, které existovaly v okamžiku zrození vesmíru. Analýzou výsledků srážek se vědci snaží porozumět tomu, jak spolu navzájem souvisejí zdánlivě nesourodé síly a částice a jak lze jejich interakci popsat v rámci jednotné teorie. Ale čím blíže se fyzici blíží k odhalení nejniternějších tajemství stvoření, tím výkonnější a dražší urychlovače jsou zapotřebí k provádění experimentů.

Nejvýkonnější urychlovač je v současné době ve výstavbě v European Particle Physics Laboratory (CERN). Řeč je o Velkém hadronovém urychlovači (LHC) o průměru 8,6 km, který bude uveden do provozu v roce 2007. Protony v něm budou urychleny o sedm bilionů voltů a jejich srážky nám napoví, odkud pochází hmotnost částic ( viz „Mše záhad“, „VMN“, č. 10, 2005). Pomocí stávajících instalací se vědci snaží získat kvark-gluonové plazma (počáteční stav hmoty) a pochopit, proč je ve Vesmíru více hmoty než antihmoty. Dnes všechny urychlovače využívají starou, těžkopádnou technologii urychlování nabitých částic pomocí mikrovlnného záření.

Plazmové urychlovače urychlují elektrony na několik stovek MeV a jsou umístěny na laboratorním stole.

RECENZE: PLAZMOVÉ SURFOVÁNÍ Po desetiletí se mikrovlnné rezonátory používaly k urychlování elementárních částic na rychlosti blízké rychlosti světla. Skládá se z nich i Velký hadronový urychlovač (LHC) o průměru 8,6 km, který bude vypuštěn v roce 2007. Technologie urychlování elektronů a pozitronů klouzajících po elektromagnetické vlně excitované v plazmatu umožní výrazně snížit velikost a cenu vysokoenergetických urychlovačů. Nová technika již byla testována v laboratorních experimentech. Na základě plazmových zařízení bude možné vytvářet stolní nízkoenergetické urychlovače pro výzkum v oblasti materiálových věd, strukturní biologie, nukleární medicíny a sterilizace potravin.

Za poslední tři čtvrtě století se výkon urychlovačů každých 10 let zvyšoval zhruba o řád, což vědcům umožnilo učinit mnoho zásadních objevů v jaderné a částicové fyzice. Bude ale tento pokrok pokračovat? Zdá se, že mikrovlnné urychlovače dosáhly hranice svých možností. V roce 1993 americký Kongres přestal financovat supravodivý supercollider o průměru 28 km a hodnotě 8 miliard dolarů, který by byl dvakrát výkonnější než LHC. Fyzici nyní doufají, že vedle LHC bude postaven 30 km lineární urychlovač, ale není jisté, že multimiliardový projekt nebude sdílet osud superurážeče. Ve vhodnější dobu nemohly přijít nové metody urychlování částic pomocí plazmatu, jejichž použití výrazně sníží velikost a cenu urychlovačů pro fyziku nejvyšších energií (100 GeV a více).

Kromě obřích urychlovačů pracujících na extrémně vysokých energiích existují i ​​skromnější stroje. Používají se ve vědě o materiálech, strukturální biologii, nukleární medicíně a také při studiu jaderné fúze, sterilizace potravin, zpracování jaderného odpadu a léčbě některých typů rakoviny. V takových instalacích je energie elektronů nebo protonů relativně nízká (od 100 MeV do 1 GeV), ale přesto zabírají hodně místa. V blízké budoucnosti je s největší pravděpodobností nahradí stolní plazmové akcelerátory.

BUBLINOVÝ REŽIM

Akcelerátor wakefield využívá urychlující sílu vytvořenou narušeným rozložením náboje nazývaným wakefield. Vedoucí laserový nebo elektronový puls tlačí plazmové elektrony (bílé) na periferii a zanechává za sebou oblast kladného náboje (zelená). Přitahuje záporně nabité elektrony zpět a za vedoucím pulzem se tvoří elektronová bublina. Podél osy šíření paprsku elektrické pole (zobrazeno níže) připomíná velmi strmou vlnu oceánu, která se chystá zlomit. Wakefield uděluje silné zrychlení hnanému elektronovému pulzu zachycenému na zadní straně bubliny.

Mikrovlnné záření a plazma

Než začneme uvažovat o nové technologii, podívejme se blíže na klasické urychlovače. Za prvé urychlují buď lehké elementární částice (elektrony a pozitrony), nebo těžké (protony a antiprotony). Za druhé, částice mohou být urychlovány buď jedním přímým průchodem nebo několika kruhovými otáčkami. Například LHC je zařízení ve tvaru prstence, ve kterém se srazí dva paprsky protonů. Fyzici doufají, že po LHC sestrojí lineární srážeč elektronů a pozitronů s energií v bodě srážky řádově 0,5 TeV. Při takových energiích se musí elektrony a pozitrony urychlovat přímočaře, protože kruhové zrychlení by vedlo k nadměrným ztrátám energie v synchrotronovém záření. Plazmové urychlovače jsou nejvhodnější pro lineární urychlování světelných částic.

Konvenční lineární srážeč urychluje částice elektrickým polem, které se s nimi pohybuje synchronně. V pomalovlnném dutinovém rezonátoru (kovová trubice s periodicky uspořádanými membránami) se pomocí silného mikrovlnného záření vytváří elektrické pole. Při intenzitě pole 20 MV/m až 50 MV/m dochází k elektrickému průrazu: z kovových stěn rezonátorů přeskakují elektrické jiskry a proud v nich prudce klesá. Protože intenzita elektrického pole musí být pod prahem průrazu, je pro urychlení částic na vysoké energie zapotřebí velké vzdálenosti. Například k vytvoření bilionového paprsku částic je zapotřebí urychlovač o délce 30 km. Pokud bychom nebyli omezeni limitem elektrického průrazu, mohl by být kompaktnější.

U urychlovačů nového typu hraje roli urychlovací struktury ionizovaný plyn, tzn. plazma. Elektrický průraz se stává jedním z hlavních konstrukčních prvků, protože je nezbytný pro ionizaci plynu. Zdrojem energie není mikrovlnné záření, ale laserový paprsek nebo paprsek nabitých částic.

Zdálo by se, že ani jedno ani druhé není vhodné pro urychlování elementárních částic: jak v laserovém paprsku, tak v toku nabitých částic jsou silná elektrická pole, ale jejich vektory jsou kolmé na směr šíření. Ale v urychlovači musí být elektrické pole podélné, tzn. směřující k pohybu urychlených částic. Naštěstí, když laserový paprsek nebo paprsek nabitých částic prochází plazmatem, může v něm vzniknout silné podélné elektrické pole.

Plazma je obecně elektricky neutrální a obsahuje stejné množství záporných (elektronů) a kladných (iontů) nábojů. Silný laserový puls nebo shluk částic vytváří v plazmě poruchu. Paprsek v podstatě odděluje lehké elektrony od těžších kladných iontů, což má za následek oblasti s přebytkem kladných a záporných nábojů (viz obrázek výše). Porucha vytváří vlnu, která se šíří plazmatem téměř rychlostí světla. Silné elektrické pole směřující z oblasti kladného náboje do oblasti záporného náboje urychluje nabité částice v něm zachycené.

Ionizovaný plyn může podporovat zrychlující se elektrická pole fantastické velikosti. Například v plazmatu obsahujícím 10 18 elektronů na 1 cm 3 (celkem běžná hodnota) může vzniknout vlna se špičkovým elektrickým polem -100 GV/m - tisíckrát větší než v běžném mikrovlnném urychlovači. Je zde však zásadní problém: typická délka mikrovlnné vlny je 10 cm a délka plazmové vlny pouhých 30 mikronů a je velmi obtížné do ní umístit hromadu urychlených elektronů.

Popsanou metodu urychlování elementárních částic pomocí plazmatu navrhl již v roce 1979 John M. Dawson z Kalifornské univerzity v Los Angeles (UCLA). Ale uplynulo téměř deset a půl let, než byl proveden experiment, ve kterém byly elektrony urychlovány v plazmových vlnách. Autor článku společně s kolegy z UCLA tento problém jednoznačně vyřešili v roce 1993. Zvláštní pozornost si zaslouží dva nové typy urychlovačů: s laserovým a plazmovým wakefieldem. Laserové wakefield najde široké uplatnění v nízkovýkonových desktopových urychlovačích a plazmové wakefield najde široké uplatnění v ultravýkonných urychlovačích, které poskytnou nejvyšší kolizní energii.

AKCELERÁTOR S LASEROVÝM WAKEFILEM

Stolní plazmový urychlovač soustřeďuje laserový paprsek o vysoké intenzitě na nadzvukový proud heliového plynu (vlevo). Světelný puls vytváří plazmu v proudu plynu a bdělé pole urychluje některé jeho elektrony. Výsledný elektronový impuls je kolimován a prochází magnetickým polem, které vychyluje částice podle jejich energií. Takový urychlovač se vejde na stůl o rozměrech 1,2 m x 1,8 m. Snímky elektronových paprsků (vpravo) pořízené v Laboratoři aplikované optiky Francouzského polytechnického institutu ukazují, jak byla překonána velká překážka. Přestože některé elektrony byly urychleny na 100 MeV, spodní hranice energetického rozsahu dosáhla 0 MeV(a). Paprsek se navíc rozcházel o celý stupeň. Naproti tomu při experimentech s nedávno objeveným bublinovým módem bylo možné získat dobře zaostřený monoenergetický paprsek o energii asi 180 MeV (b).

Pulzy světla

Dnes můžeme hovořit o vytváření desktopových plazmových urychlovačů, neboť máme k dispozici kompaktní titanovo-safírové lasery, které generují ultrakrátké světelné pulsy o výkonu až 10 TW. Když je takový puls nasměrován na 2 mm dlouhý heliový paprsek, okamžitě odstraní elektrony z molekul plynu a vytvoří plazmu.

Světelný tlak laserové „kulky“ je tak vysoký, že elektrony jsou „vyfukovány“ všemi směry. Ionty, které opouštějí, je přitahují zpět a elektrony se řítí směrem k ose, podél které se laserový puls šíří, přestřelují jej a opět se pohybují ven. Výsledkem jsou oscilace podobné vlnám nazývané laserové wakefield.

Elektrony tvoří jakousi bublinu o průměru přibližně 10 mikronů. Laserový puls se pohybuje blízko jeho přední části a vytváří plazmu. Vnitřek bubliny je tvořen ionty a elektrické pole v něm připomíná extrémně vysokou vlnu oceánu. Jiné konfigurace jsou možné, ale bublinkový režim poskytuje nejspolehlivější urychlení elektronů.

Když elektronové dělo vstřikuje elektrony do místa v plazmatu, kde již v hojnosti existují, jsou nové částice poháněny elektrickým polem směrem ke kladným nábojům uvnitř bubliny. Vlna se pohybuje vpřed rychlostí světla, takže vstřikované elektrony se musí blížit rychlosti světla, aby vlnu zachytily a získaly z ní další energii. Podle teorie relativity k dalšímu nárůstu energie elektronů dochází především v důsledku nárůstu jejich hmotnosti, nikoli rychlosti. Proto nepřekonají plazmovou vlnu, ale zdá se, že klouzají po jejím hřebeni a získávají stále více energie. Některé elektrony ze samotného plazmatu jsou podobně zachyceny a urychleny, jako pěna zachycená na hřebenu oceánské vlny.

V roce 2002 Victor Malka z Laboratoře aplikované optiky na Francouzském polytechnickém institutu ukázal, že laserem řízené pole probuzení může produkovat vysoce zaostřený paprsek obsahující 108 elektronů. Bohužel se ukázalo, že energetický rozsah urychlených elektronů je velmi široký (od 1 MeV do 200 MeV). Ve většině případů jsou vyžadovány svazky elektronů se stejnou energií.

Brzy bude možné používat stolní plazmové urychlovače k ​​výrobě nízkoenergetických elektronových paprsků.

Velký energetický rozptyl je způsoben tím, že elektrony jsou zachycovány vlnou pole v různých bodech a v různých časech. V běžném urychlovači jsou částice vstřikovány do jednoho místa blízko vrcholu elektrického pole. Vědci se domnívali, že tak přesná injekce do urychlovače s laserovým wakefieldem je nemožná, protože urychlující struktura má mikroskopickou velikost a existuje velmi krátkou dobu. V roce 2004 však tři konkurenční týmy výzkumníků z USA, Francie a Spojeného království současně objevily nový fyzikální režim, ve kterém se samozachycené elektrony pohybují jako jedna jednotka a dosahují stejné energie. Všechny tři skupiny používaly lasery s vyšším výkonem než dříve (10 TW a vyšší). Když tak silný laserový pulz prochází plazmatem, zkracuje se a vytváří velkou elektronovou bublinu, která zachycuje elektrony z plazmatu. Takových samozachycených elektronů je tolik, že z brázdící vlny odebírají poměrně hodně energie a zachycování nových částic se zastaví. Elektrony s největší energií v popředí skupiny jsou před vlnou a začnou ztrácet energii, zatímco zaostávající elektrony s nižší energií ji nadále získávají.

Výsledkem je svazek elektronů s úzkým rozložením energie. Například v Malkových experimentech se jeho šíření snížilo ze 100 % na 10 % s intenzitou paprsku asi 109 elektronů. Jeho úhlový rozptyl se také znatelně snížil: ukázalo se, že je srovnatelný s úhlovým rozptylem paprsků vytvořeným nejlepšími lineárními mikrovlnnými urychlovači. Výsledné elektronové paprsky byly vlastně pulsy s dobou trvání pouhých 10 fs, tzn. byly nejkratší, jaké kdy byly v urychlovačích vyrobeny. Proto je lze použít jako zdroj záření pro studium ultrarychlých chemických a biologických procesů. Pokud je takový elektronový puls nasměrován na tenký kovový terč, pak lze získat stejně krátký rentgenový puls. Je pravděpodobné, že rentgenové záření produkované stolními urychlovači brzy najde mnoho aplikací.

V principu může laserový urychlovač wakefield urychlit elektrony na energie v řádu 1 GeV, ale to vyžaduje vytvoření plazmové vlny, která přetrvává přes celý centimetr, spíše než několik milimetrů. Aby si laserový paprsek, který jej vybudí, udržel svou intenzitu co nejdéle, je nutné pro něj vytvořit plazmový světlovod. Za nejslibnější metodu se považuje předběžná tvorba plazmového světlovodu, kterou vyvíjejí vědci z Národní laboratoře. Lawrence v Berkeley. Při této metodě je hustota elektronů v blízkosti osy plazmatu nižší než na periferii. Proto je index lomu ve středu plazmového kanálu vyšší než na periferii a kanál se chová jako optické vlákno směrující laserový paprsek. Experimenty v Berkeley již ukázaly, že takové kanály umožňují získat monoenergetické svazky elektronů. Další vylepšení technologie pravděpodobně povedou k dostupnosti stolních plazmových akcelerátorů třídy GeV.

PLAZMOVÝ DOPAŘOVAČ

Zrychlení v plazmovém wakefieldu bylo nedávno demonstrováno na Stanford Linear Collider (SLC). V plazmové instalaci se energie elektronového paprsku zvýšila o 4 GeV na dráze pouhých 10 cm, což by v běžném mikrovlnném urychlovači vyžadovalo úsek dlouhý 200 m. Lithiové tablety se odpařují ve speciální peci. Intenzivní elektronový pulz (červená) ionizuje páru a vytváří plazma. "Vyfukuje" plazmové elektrony (modré) směrem ven, vytváří za sebou narušenou distribuci náboje a vytváří urychlující pole. Elektrony v bdělém poli zažívají silné zrychlení (oranžové šipky).

V nepřítomnosti lithia (a) byl elektronový paprsek urychlený SLC na 30 GeV monoenergetický (energie uložená vertikálně). Po průchodu 10 cm lithiové plazmy (b) mnoho částic paprsku ztratilo energii a vytvořilo plazmatické probuzené pole (červený ohon), které urychlilo malý počet elektronů v zadní části pulsu na vyšší energii (modrá oblast nahoře ).

Blíží se Ultimate Energy

Je možné použít kompaktní urychlovače plazmatu k urychlení elementárních částic na energie řádově 1 TeV? V zásadě by bylo možné zapojit stovky kompaktních laserových plazmových urychlovacích modulů do série, což by poskytlo energetické přírůstky několika GeV. Podobné kaskádové schéma se používá k získání vysokých energií pomocí tradičních mikrovlnných urychlovačů. Kaskádové plazmové urychlovače jsou však zatíženy obrovskými obtížemi.

Dnes se dává přednost metodě plazmového dodatečného spalování, kdy urychlovač s plazmovým wakefieldem zdvojnásobuje energii částic urychlovaných klasickým urychlovačem. Ten produkuje dva pulsy elektronů nebo pozitronů s energií v řádu několika stovek GeV. První pulz (nazývaný vedoucí) obsahuje třikrát více částic než druhý (řízený). Jak trvání každého pulzu, tak časový interval mezi nimi je obvykle 100 fs. Stejně jako v laserovém urychlovači zasáhne hustý hnací puls méně husté plazma a vytvoří bublinu s budícím polem. Proces probíhá stejně jako u urychlovače s laserovým budícím polem, ale elektrony nejsou rozptylovány světelným tlakem paprsku, ale elektrickým polem vedoucího pulzu. Hnaný impuls pak vstupuje do elektronové bubliny a je rychle urychlován podélnou složkou výsledného elektrického pole.

Urychlovač s plazmovým wakefieldem vzbudil velký zájem mezi fyziky, kteří se zabývají zlepšováním technologie urychlovačů. Co jej učinilo tak atraktivním, byly úspěchy vědců z UCLA, University of Southern California a Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). V první řadě se podařilo vytvořit metrový plazmový urychlovač pro elektrony i pozitrony. Naučit se udržet stabilitu vodicích paprsků na takovou vzdálenost bylo zapotřebí velké dovednosti. Fyzici navíc prokázali nárůst energie elektronů o více než 4 GeV na vzdálenost pouhých 10 cm. Nejdůležitější je, že ještě většímu nárůstu energie nebrání žádné zásadní překážky: stačí jednoduše prodloužit oblast s plazmou.

Nakonec vědci prokázali, že plazma zlepšuje fokusaci elektronového nebo pozitronového paprsku alespoň dvojnásobně. To je velmi důležité pro urychlovače, ve kterých musí být urychlené částice zaměřeny na velmi malé místo. Čím jsou paprsky koncentrovanější, tím více dochází ke srážkám, jejichž počet je stejně důležitým parametrem srážeče jako jejich energie.

Uvedené úspěchy nám umožňují přemýšlet o použití plazmového okruhu k dosažení horní energetické hranice. Technika by však měla být nejprve otestována na fungujícím urychlovači a použít jej jako první stupeň. Například dvojice 10 m dlouhých plazmových zařízení by mohla být instalována na obě strany bodu srážky ve Stanfordském lineárním urychlovači, aby se zvýšila energie částic z 50 GeV na 100 GeV. Přestože projekt ještě nebyl financován, SLAC již navrhl ministerstvu energetiky vybudovat linku SABRE pro urychlení částic na vysoké energie, aby mohl výzkum pokračovat.

Na úseku dlouhém 10 cm zvyšuje plazmový urychlovač energii elektronů o 4 GeV.

Zkoumali jsme princip činnosti urychlovačů ve vztahu k urychlování elektronů. Chcete-li urychlit pozitrony nebo jiné kladně nabité částice, musíte převrátit elektrické pole. Například pozitronový paprsek může být použit jako vedoucí paprsek. Jeho kladný náboj vtáhne plazmové elektrony dovnitř a ty, jako předtím, proklouznou kolem centrální osy a vytvoří bublinu. V tomto případě se směr elektrického pole změní na opačný, který by byl pozorován v případě elektronového pulsu, což je to, co je zapotřebí k urychlení hnaného pozitronového pulsu.

Plazmové instalace mohou také urychlit těžší částice, jako jsou protony. Je tu však jeden důležitý požadavek: vstřikované částice se musí pohybovat téměř rychlostí světla, aby udržely krok s plazmovou vlnou. To znamená, že energie urychlených protonů musí být alespoň několik GeV.

Technologie plazmových urychlovačů se vyvíjí mílovými kroky. Mnoho zásadních problémů již bylo vyřešeno, ale vytváření specifických zařízení je stále spojeno s vážnými obtížemi. Inženýři musí zejména zlepšit účinnost urychlovače (část energie hnacího pulsu, která se přenáší na urychlené částice), přesnost vyrovnání paprsku (v bodě kolize musí být vyrovnány s přesností několika nanometrů) a rychlost cyklu (počet pulzů zrychlených za jednotku).čas).

Tvůrcům konvenčního urychlovače trvalo 75 let, než dostali srážkovou energii elektronů s pozitrony na 200 GeV. Technologie plazmového urychlovače postupuje mnohem rychleji a vědci doufají, že během několika desetiletí posunou limity mikrovlnných systémů pro fyziku vysokých energií.

ZVÝŠENÍ ENERGIE KONVENČNÍHO RYCHLOVAČE

Experiment využívající Stanford Linear Collider (SLC) by mohl demonstrovat proveditelnost použití wakefield plazmových přídavných spalování ke zvýšení energie konvenčního urychlovače. Desetimetrové přídavné spalování nainstalované na výstupech tříkilometrového SLC by mělo zvýšit energii předurychlených elektronů a pozitronů z 50 GeV na 100 GeV. Plazmové čočky pomohou zaostřit paprsky s dvojnásobnou energií, aby se srazily v jednom bodě. Elektronové přídavné spalování musí být naplněno plazmatem a pozitronové musí mít dutý axiální kanál. Popsaný experiment dosud nebyl financován.

DOPLŇKOVÁ LITERATURA:

Plazmové urychlovače částic. John M. Dawson v Scientific American, sv. 260, č. 3, strany 54-61; března 1989.

Plazmové urychlovače na energetické hranici a na stolních deskách. Chandra-shekhar Joshi a Thomas Katsouleas v Physics Today, sv. 56, č. 6; strany 47-53; června 2003.

Fyzika urychlovače: Elektrony visí deset na probuzení laseru. Thomas Katsouleas v Nature, sv. 431, str. 515-516; 30. září 2004. Také tři výzkumné zprávy ve stejném čísle.

The Lasers, Optical Accelerator Systems Integrated Studies (L'OASIS) Group na University of California, Berkeley: http://loasis.lbl.gov/

Experiment Stanford's Plasma Wakefield Accelerator: www.slac.stanford.edu/grp/arb/e164/index.html

O AUTOROVI:
Chandrashekar Joshi Chandrashekhar Joshi je profesorem elektrotechniky na Kalifornské univerzitě v Los Angeles (UCLA). Řídí centrum vysokofrekvenční elektroniky a zařízení Neptun pro výzkum pokročilého akcelerátoru na UCLA. Autor nejnovějších metod urychlování elementárních částic Joshi je známý svou prací v oblasti nelineární plazmové optiky, interakcí intenzivního laserového záření s hmotou a využitím plazmatu při jaderné fúzi, urychlovačů a světelných zdrojů.

Dvě skupiny experimentátorů okamžitě navrhly nový dvoustupňový laser-plazmový urychlovač. Vytvoří se svazek elektronů a urychlí se na energii asi 1 GeV jediným laserovým pulzem a délka tandemu „injektor plus urychlovač“ nepřesahuje jeden centimetr.

Rozsah moderních urychlovačů částic je působivý. Tunel velkého hadronového urychlovače je dlouhý 27 kilometrů a lineární elektron-pozitronový urychlovač nové generace, který je v současné době projektován, bude dlouhý asi 50 kilometrů. Takové kolosální velikosti pro vědecké přístroje nejsou rozmarem fyziků; vznikají z prostého důvodu, že moderní technologie nejsou schopny elementární částice dostatečně rychle urychlit.

Obecně platí, že částice jsou urychlovány silným elektrickým polem a čím silnější pole, tím účinnější je urychlení. Moderní urychlovače využívají elektrické pole stojaté rádiové vlny, které je čerpáno a obsaženo ve speciálních kovových supravodivých rezonátorech. Ale tato technika má svůj vlastní technologický limit: pokud je rádiová vlna příliš silná, po povrchu rezonátoru poteče příliš velký proud a materiál takové proudy prostě nevydrží. Proto je dnes hranice elektrických polí v rezonátorech přibližně 20 megavoltů na metr (MV/m) a je nepravděpodobné, že bude možné výrazněji překročit tuto hodnotu. To znamená, že dosažení 500 GeV (plánovaná energie elektronů pro budoucí lineární urychlovač) lze dosáhnout pouze na délce 25 km, což činí lineární urychlovač nejen extrémně složitým, ale také velmi drahým.

Experiment ukázal, že elektrické pole v takovém plazmovém urychlovači může být tisíckrát (!) vyšší, než jaké je dosažitelné v rezonátorech. Například v roce 2006 bylo dosaženo urychlení elektronu na energii 1 GeV v úseku dlouhém o něco více než 3 cm, což odpovídá urychlovacímu poli 30 GV/m. Tyto úspěchy otevírají závratné vyhlídky – vždyť s pomocí technologie zrychlení bdění se tentýž 500 GeV elektron-pozitronový urychlovač zdánlivě vejde do sta metrů. Všechno však není tak jednoduché: existuje řada obtíží, které bude třeba překonat, než se takové projekty stanou skutečností.

Za prvé, tato technika byla testována pouze na úsecích o délce centimetrů (nyní se však objevují návrhy, jak tuto obtíž překonat). Proto, aby bylo dosaženo skutečně vysokých energií, bude třeba částice urychlit mnoha po sobě jdoucími „urychlovači“. Taková kombinace urychlovacích buněk však zatím nebyla realizována. Za druhé, urychlovač by neměl hromadu urychlených částic příliš šířit ani v prostoru, ani v divergenčních úhlech, ani v energii.

V červenci v časopise Fyzické kontrolní dopisy Okamžitě se objevily dva články informující o překonání těchto potíží. Přesněji řečeno, dvě skupiny výzkumníků nezávisle zkonstruovaly dvoustupňový plně optický laser-plazmový elektronový urychlovač. Experimentální schéma je znázorněno na Obr. 1. Jako příklad je zde uvedena instalace čínské skupiny fyziků; experimentální design v článku americké skupiny byl velmi podobný.

Srdcem instalace jsou dvě koaxiálně spojené válcové komory milimetrových rozměrů. První komora je naplněna směsí helia a kyslíku; druhý - s čistým heliem. Výkonný ultrakrátký zaostřený laserový puls prochází postupně oběma komorami, ionizuje plyn a vytváří plazmovou bublinu nejprve v první a poté ve druhé komoře. Pracovním plynem pro tvorbu plazmatu a urychlování elektronů je helium a kyslík v první komoře je potřeba jako zdroj elektronů. Ne nadarmo se instalaci říká „plně optický urychlovač“: nevstupují do ní žádné vnější elektrony. Elektrony vznikají v první komoře díky ionizaci atomů kyslíku působením laserového záblesku, tam jsou také předurychleny, následně vstříknuty do druhé komory, tam ještě více urychleny (díky stejnému laserovému záblesku) a pak vyjděte ven.

Fyzikům se tak na délce menší než centimetr podařilo vytvořit celý komplex urychlovače: vstřikovač s předběžným urychlovačem, přenosové vedení a poté hlavní urychlovač. Zdůrazňujeme, že tyto dvě sekce urychlovače nepracují nezávisle, ale v jediném tandemu: jediný ultrakrátký laserový pulz procházející oběma komorami udělá veškerou práci v jednom průchodu: generuje potřebné plazmové bubliny, generuje kompaktní elektron a pak to zrychlí na dvě kamery.

Experimenty ukázaly, že energie svazku elektronů na výstupu závisí jak na délce urychlovacího úseku, tak na síle záblesku. Závislost na výkonu laseru se ukázala jako ne úplně jednoduchá: nejvyšší energie elektronů na výstupu (0,8 GeV) nebylo při maximálním výkonu záblesku vůbec dosaženo. Je to dáno tím, že shluk elektronů se musí nejen dostat do plazmové bubliny, ale také se nacházet co nejblíže její zadní stěně – tam je elektrické pole nejsilnější.

Dalším úspěchem tohoto dvoustupňového schématu zrychlení byly pozoruhodné charakteristiky svazku elektronů na výstupu. Na Obr. Obrázek 2 ukazuje distribuci elektronů energií a úhlovou divergenci shluku; obrázek nahoře odpovídá pouze jednomu stupni (vstřikovač bez urychlovače), obrázek níže odpovídá plnému tandemu. V obou případech je energie elektronu zobrazena vodorovně a úhlový nesoulad v miliradiánech svisle (úhel jednoho stupně je přibližně 17 mrad). Obrázky nahoře a dole jsou nápadně odlišné. Po fázi injektoru jsou elektrony urychleny na přibližně 100 MeV, ale jejich energie je rozprostřena v širokém rozsahu. Po průchodu druhým stupněm urychlovače však paprsek nejen získá energii téměř 0,5 GeV, ale stane se mnohem kompaktnější, a to jak energeticky, tak úhlově.

Autoři obou článků poznamenávají, že současné schéma lze dále optimalizovat a dosáhnout energií 10 GeV. Získání kompaktních multi-HeV elektronových svazků v čistě optickém a prakticky stolním experimentu se tedy zdá být záležitostí blízké budoucnosti. Samozřejmě takový laserový urychlovač zatím nemůže svítivostí (tedy intenzitou paprsku) konkurovat současným velkým urychlovačům. Avšak takový paprsek, vyrobený ve velmi kompaktní a relativně levné instalaci, má mnoho dalších aplikací, jak vědeckých, tak aplikovaných. Připomeňme, že nyní je na světě přibližně 20 tisíc urychlovačů, z nichž jen asi stovka se zabývá studiem fyziky mikrosvěta a zbytek se používá pro biomedicínské účely, ve vědě o materiálech, v bezpečnostních systémech atd. Jakýkoli nový typ kompaktního urychlovače částic bude proto přijat přímo tam (viz např. novinka První využití laserových urychlovačů bude medicínské).

Prameny:
1) J. S. Liu a kol., All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection // Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011).
2) B. B. Pollock a kol., Demonstrace úzkého energetického rozptylu, ~0,5GeV elektronový paprsek z dvoustupňového laserového urychlovače Wakefield // Phys. Rev. Lett. 107, 045001 (2011).

Tato metoda experimentálně produkovala elektronové svazky s energiemi přesahujícími 8 GeV.

Přímé zrychlení laserovým polem

Přímé urychlení laserovým polem je neúčinné, protože v přísně jednorozměrném problému má elektron vstupující do pole laserového pulsu po jeho opuštění stejnou energii jako na začátku, to znamená, že je nutné provést zrychlení ve vysoce zaostřených polích, ve kterých je významná podélná složka elektrického pole, ale v takových polích je fázová rychlost vlny podél osy šíření větší než rychlost světla, takže elektrony rychle zaostávají za urychlovacím polem. Pro kompenzaci posledně uvedeného efektu bylo navrženo provést zrychlení v plynu, kde je relativní dielektrická konstanta nad jednotkou a fázová rychlost klesá. V tomto případě je však významným omezením, že již při intenzitách záření řádově 10 14 W/cm² dochází k ionizaci plynu za vzniku plazmatu, což vede k rozostření laserového paprsku. Experimentálně tato metoda prokázala modulaci paprsku elektronů 3,7 MeV s energií 40 MeV.

Zrychlení v plazmové vlně

Při šíření dostatečně intenzivního laserového pulzu v plynu dochází k jeho ionizaci za vzniku nerovnovážného plazmatu, ve kterém je možné díky ponderomotorickému účinku laserového záření vybudit tzv. brázdnou vlnu - Langmuirovu vlnu, putující po pulzu. Tato vlna má fáze, ve kterých se podélné elektrické pole zrychluje pro elektrony putující spolu s vlnou. Vzhledem k tomu, že fázová rychlost podélné vlny je rovna skupinové rychlosti laserového pulsu v plazmatu, což je jen o málo menší než rychlost světla, mohou relativistické elektrony setrvat v urychlovací fázi poměrně dlouhou dobu a získávat značnou energii. . Tato metoda urychlování elektronů byla poprvé navržena v roce 1979.

S rostoucí intenzitou laserového pulzu se zvyšuje amplituda excitované plazmové vlny a v důsledku toho se zvyšuje rychlost zrychlení. Při dostatečně vysokých intenzitách se plazmová vlna stává nelineární a nakonec se zhroutí. V tomto případě je možný vysoce nelineární režim šíření laserového pulsu v plazmatu - tzv. bublinkový (neboli bublinkový) režim, kdy se za laserovým pulsem vytvoří dutina podobná bublině, téměř zcela zbavená elektronů. Tato dutina také obsahuje podélné elektrické pole, které může účinně urychlovat elektrony.

Experimentálně byl v režimu lineární interakce získán elektronový paprsek urychlený na energie řádově 1 GeV na dráze dlouhé 3 cm Pro kompenzaci difrakční divergence laserového pulsu je v tomto případě použit vlnovod ve tvaru Dodatečně byla použita tenká kapilára. Zvýšení výkonu laserového pulsu na úroveň petawattů umožnilo zvýšit energii elektronů na 2 GeV. Dalšího zvýšení energie elektronů bylo dosaženo oddělením procesů jejich vstřikování do urychlující se plazmové vlny a samotného procesu urychlování. Touto metodou byly v roce 2011 získány elektrony o energii asi 0,5 GeV a v roce 2013 byla překročena úroveň 3 GeV a celková délka kanálu urychlovače byla pouze 1,4 cm (4 mm - vstřikovací stupeň, 1 cm - stupeň zrychlení). V roce 2014 byly v Lawrence Berkeley National Laboratory získány první experimentální výsledky o urychlování elektronů v 9 cm dlouhé kapiláře pomocí laseru BELLA. Tyto experimenty prokázaly zrychlení na energie přesahující 4 GeV s laserovým pulzem 0,3 PW, což je nový rekord. V roce 2019 tam byl vytvořen nový rekord - se špičkovým výkonem laserového pulsu 0,85 PW byly získány elektrony o energii asi 7,8 GeV v kapiláře dlouhé 20 cm.

V režimu nelineární interakce byla maximální dosažená energie 1,45 GeV na dráze dlouhé 1,3 cm.V experimentu byl použit laserový pulz o výkonu 110 TW.

viz také

Poznámky

1. R. Joel England a kol. Dielektrické laserové urychlovače (anglicky) // Rev. Mod. Phys. . - 2014. - Sv. 86. - S. 1337. - DOI:10.1103/RevModPhys.86.1337.
2. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall. Laserová akcelerace elektronů ve vakuu (anglicky) // Phys. Rev. E. - 1995. - Sv. 52. - S. 5443.
3. T. Tajima, J. M. Dawson. Laser Electron Accelerator (anglicky) // Phys. Rev. Lett. . - 1979. - Sv. 43. - str. 267.
4. W. P. Leemans a kol. Elektronové paprsky GeV z urychlovače v měřítku centimetrů (anglicky) // Nature Physics. - 2006. - Sv. 2. - S. 696-699.
5. Xiaoming Wang a kol. Kvazi-monoenergetické laserové plazmové urychlení elektronů na 2 GeV (anglicky) // Nature Communications. - 2013. - Sv. 4. - str. 1988.
6. B. B. Pollock a kol. Ukázka úzkého rozptylu energie, ~0,5 GeV elektronový paprsek z dvoustupňového laserového akcelerátoru Wakefield (anglicky) // Phys. Rev. Lett. . - 2011. - Sv. 107. - P. 045001.
7. Hyung Taek Kim a kol. Posílení elektronové energie do režimu Multi-GeV dvoustupňovým urychlovačem laser-wakefield čerpaným petawattovými laserovými pulzy // Phys. Rev. Lett. . - 2013. - Sv. 111. - S. 165002. - DOI:10.1103/PhysRevLett.111.165002. - arXiv:1307.4159.
8. W. P. Leemans a kol. Multi-GeV elektronové paprsky ze subpetawattových laserových pulzů vedených kapilárním výbojem v režimu sebezachytávání // Phys. Rev. Lett. . - 2014. - Sv. 113. - S. 245002. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.245002.
9. A. J. Gonsalves a kol. Petawattové laserové navádění a zrychlení elektronového paprsku na 8 GeV v laserem vyhřívaném kapilárním výbojovém vlnovodu // Phys. Rev. Lett. . - 2019. - Sv. 122. - P. 084801. - DOI:10.1103/PhysRevLett.122.084801.
10. C. E. Clayton a kol. Samonaváděcí laserová akcelerace Wakefield nad 1 GeV pomocí ionizace indukované injekce // Phys. Rev. Lett. . - 2010. - Sv. 105. - S. 105003.

Literatura

Vědecký

• E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans.

Dobrý den, jmenuji se Alexander a jsem fyzik. Zvenčí to může znít jako věta, ale ve skutečnosti je to tak. Ukázalo se, že se zabývám základním výzkumem ve fyzice, konkrétně studuji urychlené nabité částice: protony a všechny ty větší - tedy kladné ionty. Při svém výzkumu nepoužívám velké urychlovače jako LHC, ale střílím laserem na fólii a z fólie vychází puls protonů.

Nyní pár slov o mně. Vystudoval jsem Fakultu fotoniky a optické informatiky na ITMO v Petrohradě, poté jsem šel na magisterský program na Aalto University (ve Finsku) mikro- a nanotechnologie a pak jsem se vzdal všech těchto maličkostí, mikroskopů a hlavně čisté místnosti. A šel jsem do základní vědy s velkými lasery. Nyní pracuji na postgraduální škole na jihozápadě Švédska ve městě Lund na stejnojmenné univerzitě. Jde o výstřel z kanónu z Kodaně.

Jakmile jsem to zrychlil, tak to letělo

Samotné urychlovače nabitých částic nejsou novou myšlenkou, ale metoda, kterou je urychluji, je relativně nová, přibližně stejně stará jako já. Umožňuje výrazně snížit velikost urychlovače a jeho náklady, včetně nákladů na provoz a údržbu. Rozdíl mezi těmito dvěma typy lze ocenit na obrázku níže.


Vlevo je elektrostatický lineární urychlovač (lehce rozebraný); Vpravo je můj malý, ale hrdý výrobce děr ve fólii

Porovnejme tyto dva příklady ponuré fyzické geniality podrobněji. Podívejte se na levý urychlovač a na pravý, pak znovu na levý a znovu na pravý: ano, ten můj je na koni (vtip – pozn. autora). Ve skutečnosti má ten můj jen metr v průměru a samotné protony jsou urychlovány z kusu fólie. Jeho držák je umístěn přesně uprostřed kruhu a na něm je krásná měděná sukně. To je mnohem jednodušší a kompaktnější než levý vzorek, který má velikost autobusu a navíc je naplněn dusivým plynem. Když se tedy dostatečně prosadíte (ve fyzice se často stává, že čím méně, tím lépe), můžete přejít k fyzice procesu zrychlení.

Protože urychlujeme nabité částice, je nejlogičtější to udělat pomocí elektrického pole. Pole budeme charakterizovat napětím. Pro ty, kteří po škole šli na přední a zadní konec, dovolte mi připomenout: síla elektrického pole je vektorová fyzikální veličina, která charakterizuje elektrické pole v daném bodě a je číselně rovna poměru síly působící na stacionární bodový náboj umístěný v daném bodě pole k velikosti tohoto náboje.(špinavé copy-paste z Wikipedie). Má rozměr V/m. Vrátíme-li se ke srovnání, urychlovač vlevo urychluje protony na 4 MeV (Megaelektronvolt), tedy 2,77 * 10 7 m/s neboli 9,2 % rychlosti světla. Protože protonový náboj je 1 a délka urychlovače je dva metry, bude intenzita pole 2 MV/m. Zde jsme předpokládali, že na všech místech je pole nasměrováno jedním směrem a celkově jsme byli velmi blízko pravdě. Stylový urychlovač má intenzitu pole řádově několik TV/m, tedy asi milionkrát větší. Přesto stojí za to uznat, že jeho délka je jen několik mikronů.

Nyní jsme tedy zjistili, čí pole je strmější. Je čas obrátit se na fyzikální a inženýrské mechanismy, které toto pole vytvářejí. V případě konvenčního urychlovače jsou to dva plechy, z nichž jeden je záporně nabitý a druhý není nabitý vůbec. Vzpomeňte si na školní pokus o tření ebonitové tyčinky kouskem vlny. Zde je princip naprosto stejný, ale provedení je mnohem složitější. Pokud urychlíte protony z fólie, tak pole je tvořeno elektrony, elektrony vylétají z horkého plazmatu, plazma se vyrábí a zahřívá laserem a o tom všem je zbytek příspěvku.

Chceš, abych ho udeřil a on se změní na skvrnitý fialový?

Pokud udeříte dostatečně tvrdě, můžete vidět mnoho úžasných fyzikálních jevů. Takhle kluci z Harvardu získali kovový vodík a pak ho ztratili.

V mém případě folii natáčím laserem. Podrobněji to popíšu po vysvětlení netriviální fyziky procesů získávání teplé husté hmoty, což je vědecký název pro plazma, která je viníkem triumfu zrychlení mých protonů. Nyní pojďme mluvit o všem v pořádku.

Laser generuje pulzy o vlnové délce 800 nm a 35 fs s trváním (10 -15 s), to znamená, že skutečná délka pulzu ve vakuu je přibližně 10 mikronů. Tento impuls obsahuje přibližně 2 J energie, což je hodně. Pokud vezmete tento impuls a zaměříte ho na fólii do úhledného kulatého bodu o průměru 5 mikronů, pak bude intenzita asi 10 20 W/cm2. To už je neslušná částka. Opět malé srovnání: ocel lze bezpečně řezat při intenzitě 10 8 W/cm 2 (nebo tak nějak).

Ve skutečnosti má laserový puls díky konstrukci zesilovače předřazený podstavec s dobou trvání přibližně 500 ps a právě tento podstavec velmi pomáhá dobře urychlovat protony.

Ionizovaný znamená ozbrojený

Připomeňme si, co se stane se světlem, když vstoupí do hmoty. Energie musí být zachována, což znamená, že existují pouze tři možné události: odraz, přenos a absorpce. V drsném životě je vše výše uvedené přítomno najednou. Ve velmi rané fázi máme zájem o akvizice.

Takže máme podstavec, který navíc dokonale zaměříme na kus fólie a tam se to perfektně vstřebá. Abychom nezacházeli do složitostí fyziky pevných látek, uvažujme absorpci volně stojícího atomu. Z kvantové mechaniky víme, že absorbovat lze pouze foton, jehož energie se přesně rovná energii přechodu elektronu z jednoho stavu do druhého. Pokud je energie fotonu větší než ionizační energie (tedy vyslání elektronu z mateřského hnízda na volnou cestu), pak se přebytek změní v kinetickou energii elektronu, vše je jednoduché. V našem případě fotony o vlnové délce 800 nm nemají dostatek energie (to je energie jednoho fotonu, ne celého pulzu!) k ionizaci cíle, ale zde nám fyzika přichází na pomoc. Pamatujete si, že jsem zmínil vysokou intenzitu záření? Pokud si navíc pamatujeme, že světlo může být reprezentováno jako proud fotonů a intenzita je tomu přímo úměrná, pak se ukazuje, že proud fotonů je velmi velký. A pokud je tok tak velký, tak je velká pravděpodobnost, že na jedno místo a ve stejnou dobu dorazí více fotonů, a když se jejich energie pohltí, tak se sečtou a k ionizaci stejně dojde. Tento jev se kupodivu nazývá multifotonová ionizace a používáme ho pravidelně.

V tuto chvíli máme, že elektrony byly úspěšně odtrženy, což znamená, že hlavní pulz dorazí k hotovému plazmatu a začne ho ohřívat.

Základy fyziky plazmatu (nepřišel jsem na vtip, ach)

Před zahřátím stojí za to říci něco o plazmě jako o stavu hmoty. Plazma je jako plyn, pouze elektrony jsou oddělené a jádra jsou oddělená. Naše plazma budeme považovat za téměř ideální plyn, ale skládající se z elektronů.

Naší hlavní charakteristikou plazmatu bude jeho hustota (počet elektronů na jednotku objemu), kterou budeme dále označovat jako $n_e$ (nezaměňovat s indexem lomu!), a teplota těchto stejných elektronů, tzn. , jejich průměrná rychlost pohybu. Toto je popsáno Boltzmannovým rozdělením stejným způsobem jako ve školním kurzu fyziky:

$$display$$\frac(m_e v^2)(2) = \frac(1)(2) k_B T_e,$$display$$

z čehož snadno vyplývá

$$display$$\langle v \rangle = \sqrt(k_B T_e/m_e),$$display$$

kde $inline$k_B$inline$ je Boltzmannova konstanta, $inline$T_e$inline$ je elektronová teplota a $inline$m_e$inline$ je hmotnost elektronu. Ano, zde jsme zvažovali jednorozměrný případ, ale více k popisu našich procesů nepotřebujeme.

Nyní aplikujeme elektrické pole na již popsané plazma. Připomenu, že plazma se skládá z nabitých částic, to znamená, že při dané hustotě v nějaké vzdálenosti od místa, kam jsme pole aplikovali, elektrony zakryjí (zacloní) zdroj (takový zástup malých Matrosovců – pozn. autora). Vzdálenost potřebná k tomu se nazývá Debyeova délka a je dána rovnicí

$$display$$ \lambda_D = \sqrt(\frac(\epsilon_0 k_B T_e)(q^2_e n_e)). $$zobrazit$$

Zde $inline$q_e$inline$ je zjevně náboj elektronu a $inline$\epsilon_0$inline$ je dielektrická konstanta vakua, taková základní konstanta. Pojďme tento vzorec trochu analyzovat, abychom viděli jednoduchou fyziku procesu, který za ním stojí. Zvýšením hustoty elektronů snížíme průměrnou vzdálenost mezi nimi, v důsledku toho na kratší vzdálenost nasbíráme dostatek elektronů k úplnému stínění našeho pole. Na druhou stranu, čím vyšší je teplota, tím větší je průměrná vzdálenost mezi elektrony.

Plazma díky stínícímu efektu a velmi specifické (v závislosti na teplotě) průměrné rychlosti pohybu elektronů nereaguje okamžitě na náhle přicházející pole. Je logické předpokládat, že doba odezvy souvisí s délkou Debye a rychlostí pohybu elektronů. Dobrá analogie je hodit kámen do jezera. Kámen oproti celému jezeru působí na hladinu vody bodově. Část vody se okamžitě vymění (tady se rozstříkla) a poté se vlny začnou šířit po vodní hladině. V případě plazmatu je náhle se objevující elektrické pole kámen. Velikost rozstřiku je dána délkou stínění (pole za ním nepůsobí) a šíření vln závisí na tom, jak blízko jsou elektrony u sebe. Můžeme zavést takovou charakteristiku, jako je doba odezvy plazmatu:

$inline$ t_D = \lambda_D / v $inline$ . Celkově nám ukazuje dobu, za kterou se informace o změně aplikovaného pole dostane k elektronům, které toto pole jakoby neviděly.

Vzhledem k tomu, že jsme fyzici, nemáme moc rádi čas. Mnohem pohodlnější je pracovat s frekvencemi, proto si zavedeme pojem vlastní frekvence plazmatu. Tato hodnota nám ukáže, jak často můžeme měnit pole, aby celá akumulace elektronů, kterou hrdě nazýváme plazmou, měla čas na tyto změny zareagovat. No, co by mohlo být jednodušší? Vydělme jednu dobou odezvy a tady to je - frekvence:

$$display$$ \omega_p = \frac(1)(t_D) = \sqrt(\frac(q^2_e n_e)(\epsilon_0 m_e)). $$zobrazit$$

Je snadné vidět, že vlastní frekvence oscilací plazmatu závisí na hustotě elektronů. Čím více elektronů, tím vyšší frekvence. Můžeme nakreslit další přirovnání, ale tentokrát s pružinovým kyvadlem. Vyšší hustota elektronů nám říká, že jsou blíže k sobě, a proto interagují silněji. Předpokládejme, že jejich interakce je přímo úměrná pružnosti pružiny kyvadla. A čím větší je elasticita, tím vyšší je frekvence vibrací.

Přirozená frekvence plazmy také určuje její index lomu. Pokud poctivě napíšeme vlnovou rovnici pro kolektivní pohyb elektronů v plazmatu a pak předpokládáme malé změny v hustotě elektronů (zde to neuděláme, protože je to nudné), pak je index lomu nastaven následovně:

$$display$$ \eta = \sqrt(1-\frac(\omega^2_p)(\omega^2_0)). $$zobrazit$$

Zde $inline$\omega_0$inline$ je kruhová frekvence aplikovaného elektrického pole. Je to v rad/s a ne v Hz!

Podívejme se na tento výraz zblízka. Jako experimentální fyzik nemám rád reálná čísla, ale snažím se ignorovat komplexní čísla, zejména komplexní index lomu. Jak se koneckonců světlo může šířit hmotou? i krát pomaleji než ve vakuu? To je nějaký nesmysl! Vlastně ne, ale o tom jindy. Pokud $inline$\omega_0 > \omega_p$inline$ , pak je výraz platný a střídavé elektrické pole se šíří uvnitř našeho plazmatu. Všichni jsou šťastní a takovou plazmu nazveme nedostatečně hustou. Pokud však $inline$\omega_0< \omega_p$inline$ , то показатель преломления становится не то что комплексным, а целиком мнимым. В этом случае (и не просто потому что я так захотел) волна вообще не будет там распространяться, а сразу отразится без потерь. Это слишком плотная плазма. Очень классное явление, кстати. Называется плазменным зеркалом.

A jako dezert $inline$\omega_0 = \omega_p$inline$ . Toto je plazma kritické hustoty. V tomto případě začne rezonovat s nuceným (námi dodávaným) střídavým elektrickým polem. Pro takový speciální případ můžete dokonce zavést koncept kritické hustoty a definovat jej takto:

$$display$$ n_c = \frac(\epsilon_0 m_e \omega^2_0)(q^2_e). $$zobrazit$$

Pro každou frekvenci budícího pole je přirozeně kritická hustota jiná.

ŠOKOVAT! Plazmový ohřev! K tomu potřebujete pouze...

V našem případě se zaměříme pouze na jeden zahřívací mechanismus, který v experimentu převažuje.

Začněme tím, že plazma, kterou jsme vytvořili jako podstavec, má hladký gradient hustoty, v tomto případě máme ohřev prostřednictvím rezonanční absorpce. Ukázka toho je na obrázku níže.

Ilustrace procesu rezonanční absorpce: a) distribuce elektronové hustoty v blízkosti přední strany terče; b) lom laserového paprsku v plazmatu s gradientem hustoty; c) elektrické pole v plazmatu

Laser tedy svítí na naše plazma pod úhlem, třeba 45 stupňů, a přitom je polarizováno v rovině dopadu. Polarizace je na obrázku označena červenými šipkami. Naše plazma má hustotní gradient, což znamená, že její index lomu se neustále mění (zde roste). V určitém okamžiku se stane, že určitá vrstva plazmatu pro náš laser se stane „rotační“ a bude se odrážet, to znamená, že se bude nějakou dobu šířit paralelně s kritickou vrstvou. Je důležité si uvědomit, že se otočí dříve, než dosáhne vrstvy s kritickou hustotou, protože jsme ji vypustili pod úhlem k normále. Hustota plazmatu, při které se laserový paprsek bude otáčet, je dána následující rovnicí:

$$display$$ n_t = n_c \cos^2 \alpha,$$display$$

kde $inline$n_c$inline$ je kritická hustota a $inline$\alpha$inline$ je úhel dopadu světla.

Nyní začíná zábava. Pamatujme, že světlo není jen proud fotonů, ale také elektromagnetické vlnění, to znamená, že náš puls má elektrické pole, které harmonicky kmitá s velkou amplitudou. Když se světlo šíří paralelně s kritickou vrstvou, vzniká stojatá vlna, která se v průběhu času nemění (přirozeně, když je laserový puls na místě). Pole této vlny ve skutečnosti proniká dále než vrstva plazmatu, kde se světlo obrátilo, a dosáhne kritické vrstvy. Dovolte mi připomenout, že frekvence oscilací plazmatu v kritické vrstvě je stejná jako frekvence laserového záření, což znamená, že dochází k rezonanci. Když laser přestane svítit, energie, kterou předal elektronům v kritické vrstvě, se prostřednictvím dopadů rozdělí na zbývající elektrony, což znamená, že se plazma zahřálo.

Kde přesně je tedy zrychlení?

Nyní, když jsme důkladně zahřáli elektrony v plazmatu a laser již nesvítí, můžeme říci, jak jsou protony urychlovány. Chcete-li to provést, podívejte se na obrázky níže. Do této chvíle jsem nikdy neřekl, odkud se protony berou. Přirozeně nevystupují z jader fóliového materiálu. Jelikož nejsme moc opatrní a nenosíme rukavice (moc se nám v nich potí ruce), voda a uhlovodíky končí na povrchu fólie. Ionizovaný vodík je naším neocenitelným zdrojem protonů. Bylo ověřeno: pokud odstraníte nečistoty, nebudou tam žádné protony.

	Tvorba plazmy podstavcem, tedy ionizace přední strany terče. Jako terč se obvykle používá fólie o tloušťce 0,4 - 12 mikronů.
	Zde hlavní část pulzu interaguje s vytvořeným plazmatem a ohřívá ho. Některé elektrony jsou tak dobře zahřáté, že vylétají ze zadní části cíle.
	Když vyletí dostatek elektronů, zbývající kladný náboj ve fólii je stáhne zpět. V plazmě se znovu zahřejí a vyletí ven. Na nějakou dobu se ustaví dynamická rovnováha. Elektrické pole směřuje kolmo k cíli
	Toto stejné elektrické pole zvedá protony a další ionty (v závislosti na tom, co tam vůbec bylo) ze zadního povrchu cíle a pak je urychluje. Než se ionty zrychlí, elektronový mrak se již zhroutil a všechny částice začnou létat dále společně. A pak začneme věřit, že už spolu neinteragují.

Rozděl a panuj

Momentálně je pozice taková: laser už dlouho nesvítí, ve fólii je díra, protony a elektrony spolu létají z cíle normálně na jeho zadní plochu. Elektrony vůbec nepotřebujeme, a tak nám zde na pomoc přichází magnet. Když svazek nabitých částic proletí magnetickým polem, Lorentzovy síly vychylují každou částici úměrně její rychlosti a náboji. Protony a elektrony se budou odchylovat v různých směrech a my se jednoduše nebudeme dívat ve směru elektronů. Mimochodem, čím větší je energie protonu (tedy jeho rychlost), tím méně se bude odchylovat. To znamená, že instalací obrazovky, která je citlivá na protony, budeme schopni vidět energie urychlených protonů. Ještě pár srovnání v číslech: magnet, který máme, je trvalý a vytváří pole o velikosti asi 0,75 Tesla; v MRI přístrojích je magnetické pole 1,5 - 3 Tesla.

Navíc se můžeme podívat na profil svazku letících protonů. Mimochodem, je to kulaté. A pokud dokážeme změřit i energii protonů v každé části paprsku, pak budeme schopni jednoznačně obnovit tvar elektronového oblaku, který urychlil naše protony.

Místo závěru

Může vyvstat spravedlivá otázka, proč je to všechno potřeba. Moje oblíbená odpověď je přesně taková. Toto je základní věda a snažit se najít pro ni okamžité aplikace je zbytečné. Snad za pár let najde své uplatnění při léčbě rakoviny nebo termonukleární fúze, ale zatím je hlavním úkolem dozvědět se něco nového o světě kolem nás, jen proto, že je zajímavý.

Pro ty, kteří jsou obzvláště zvědaví na samotný laser a jeho strukturu

Jak jsem slíbil, zde budu mluvit o laseru, se kterým dělám vědu. Některé vlastnosti našeho laseru jsem již zmínil, ale nemluvil jsem o frekvenci opakování pulzu. Je to přibližně 80 MHz. Tato frekvence je určena pouze délkou rezonátoru a je inverzní dobou, za kterou světlo prochází rezonátorem tam a zpět. Při pohledu dopředu řeknu, že je nepraktické zesilovat pulsy na takové frekvenci, je to neuvěřitelně obtížné z technického hlediska a nebudete mít dostatek elektřiny.

Nebudu se moc rozepisovat o teorii laseru. Základy toho, odkud laserové záření pochází, jsou dokonale popsány v článku o stimulované emisi na Wikipedii. Velmi stručně řečeno, laserové záření vyžaduje tři složky: aktivní médium (ze kterého jsou emitovány fotony), čerpadlo (udržuje aktivní médium ve stavu, kdy existuje více excitovaných atomů, které mohou emitovat) a rezonátor (ten zajišťuje, že se fotony při opakovaných průchodech aktivním prostředím navzájem kopírují). Pokud dáte všechny součásti dohromady a pomodlíte se, laser začne svítit, ale nepřetržitě. Pokud se budete snažit trochu víc, můžete to udělat, aby generovalo pulsy, včetně takových krátkých jako na mé instalaci. Pro zvědavější se metoda generování femtosekundových pulzů nazývá zamykání pasivního režimu. A nyní malá vlastnost velmi krátkých pulzů. Často se věří, že laser svítí na jediné vlnové délce a v nepřetržitém režimu, stejně jako s dlouhými pulzy, to lze dokonce nazvat pravdou. Ve skutečnosti díky řadě složitých fyzikálních procesů, které zde určitě nebudeme rozebírat, souvisí časový tvar pulsu a jeho spektrum pomocí Fourierovy transformace. To znamená, že čím kratší je puls, tím širší je jeho spektrum.

Řekněme, že jsme spustili hlavní oscilátor, ale energie jeho pulzů je několik nJ. Pamatujete si, jak jsem na začátku řekl, že energie v pulzu, který dorazí k cíli, je asi 2 J? Takže tohle je miliardkrát víc. To znamená, že impuls je třeba posílit a o tom si povíme podrobněji.

Krátké pulsy jsou obecně charakterizovány velmi velkými špičkovými výkony (pamatujete, dělit energii časem?), a to má řadu komplikací. Pokud do média svítíte zářením s vysokou intenzitou (výkon na jednotku plochy), shoří, ale pokud shořelo aktivní médium, tak se nic nezesiluje. Proto volíme opakovací frekvenci 10 Hz a pouze je zesilujeme. Vzhledem k tomu, že zařízení je mnoho a vše funguje přesně na této frekvenci, máme speciální box, který těchto 10 Hz rozdělí na veškerý hardware a u každého zařízení si můžete zvolit zpoždění příjmu signálu s přesností na několik pikosekund.

Existují dva způsoby, jak se vypořádat s vysokou intenzitou. Jak můžete snadno odhadnout z jeho definice, musíte buď zvětšit plochu, nebo snížit výkon. S první je vše velmi jasné, ale druhá metoda byla průlomem v laserové technologii ve dvacátém století. Pokud je impuls zpočátku velmi krátký, lze jej protáhnout, posílit a poté znovu stlačit.

Abychom pochopili, jak to udělat, podívejme se na základy optiky. Pro různé vlnové délky jsou indexy lomu v médiu různé, což znamená (mimochodem podle definice indexu lomu), že s rostoucím indexem lomu klesá rychlost šíření světla v médiu. A tak jsme vypustili náš puls do okolí a jeho červená část prošla materiálem rychleji než modrá, to znamená, že se puls prodloužil a jeho špičkový výkon se snížil. Hurá, teď už nic nehoří! Pro hlubší znalosti v této oblasti doporučuji vygooglovat a přečíst si o zesílení chirpovaného pulsu (také známé jako chirped Pulse Amplification nebo CPA).

Stačí impuls zesílit, komprimovat, zaostřit a poslat, aby udělal díru do fólie!

A teď pár obrázků s popisky.

Vlastně fotka laboratoře. Ta válcovitá věc uprostřed je vakuová komora, protože protony létají vzduchem velmi mizerně a neustále narážejí do molekul vzduchu. Obecně platí, že vše vypadá chladněji s vakuem. Modrá věc napravo je olověná stěna, abyste náhodou nezískali superschopnosti a nemoc z ozáření. Samotný laser je umístěn za dveřmi vlevo se žlutým nápisem Achtung

A zde je samotná zeď z profilu. Ano, uvnitř je nacpaný olovem, jako Medvídek Pú.

Naše velitelské stanoviště je za zdí, když střílíme, z bezpečnostních důvodů máme sedět za ní. Samozřejmě nezemřeme na radiaci, ale můžeme snadno oslepnout. Existuje pět monitorů pro dva počítače, je velmi snadné se ve všem tom harampádí splést. Jeden z počítačů má reproduktory, takže při práci v kobce můžete poslouchat Lobodu a Velkého ruského šéfa, z nevysvětlitelných důvodů je mají rádi i moji kolegové. Jen polovina z nich jsou mimochodem Švédové.

Ještě máme olověné posuvné dveře. Je poháněn hydraulicky.

Tady jsme uvnitř místnosti s laserem. Toto je fotografie prvního stolu, na kterém je generován laserový puls. Zde je předzesilován (přibližně 1000krát) a natažen. Na polici nahoře je hromada velmi důležité a potřebné elektroniky, bez které se laser neobejde.

Toto je druhá tabulka, ve které je záření zesíleno po první. Tento zesilovač je naším hlavním tahounem – zvyšuje energii čtyřicettisíckrát. Ve skutečnosti obsahuje dva zesilovače různé konstrukce: víceprůchodový a regenerační. V prvním případě pulz jednoduše několikrát projde aktivním médiem. Druhý má svůj vlastní rezonátor. Pomocí elektrooptických hradel (Pockelsovy články) se uvnitř spustí puls, který tam několikrát projde, dokud se zesílení nenasytí, a pak se dále uvolňuje. Zde je rychlost a přesnost otevírání a zavírání okenic tak důležitá.

Toto je třetí stůl, je zde zisk asi 15krát. Věž uprostřed, která vyčnívá nad víkem, je kryostat. Obsahuje obrovský krystal ve vakuu, který je chlazen kapalným heliem na teplotu -190 stupňů Celsia.

Jedná se o samostatnou místnost, která obsahuje třetí stolní čerpací zdroje a hlavní vývěvy. Účinnost z výstupu systému je tak-tak, přibližně 0,1 %. Nějak jsem spočítal, že spotřebovaný elektrický výkon byl přibližně 160 kW. To je přibližně 960 grafických karet, které lze napájet a těžit, těžit, těžit. Tolik elektřiny se spotřebuje při zesilování s opakovací frekvencí 10 Hz. Pokud bychom se pokusili posílit 80 MHz, spotřeba by se zvýšila 8milionkrát.

Děkuji za pozornost!