Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften Valery Bychenkov, Chefforscher des nach ihm benannten Physikalischen Instituts. P. N. Lebedev Russische Akademie der Wissenschaften.

Es handelt sich vielleicht um ein seltenes Wissensgebiet, das eine so rasante Entwicklung vorweisen kann wie die Laserwissenschaft und -technologie. Wer hätte gedacht, dass der erste optische Quantengenerator, der erst vor fünfzig Jahren entwickelt wurde, zu einer Kettenreaktion von Ideen für den weit verbreiteten Einsatz von Lasern führen und sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug für vielfältige menschliche Aktivitäten machen würde. Der Entwicklungsprozess der Lasertechnologie ist jedoch noch lange nicht abgeschlossen und es ist zu hoffen, dass er in den kommenden Jahren zur Entstehung neuer Lasersysteme für einzigartige praktische interdisziplinäre Anwendungen führen wird. Solche Erwartungen sind mit der Entwicklung und dem Einsatz ultrakurzer Laser in den weltweit führenden Laserzentren verbunden, die 1 Pikosekunde (ps) = 10–12 s nicht überschreiten und bis zu 10 Femtosekunden (fs) = 10–14 s erreichen. Neue Ideen für den Einsatz ultrakurzer, hochintensiver Laserpulse nehmen die wildesten Science-Fiction-Vorhersagen vorweg. Ihre Diskussion könnte ein ganzes Buch füllen, aber vorerst beschränke ich mich auf eine kurze Geschichte über nur einen von ihnen.

Wissenschaft und Leben // Illustrationen

Laserinstallation „Hercules“ des Center for Ultrafast Optical Phenomena an der University of Michigan (USA). Das Foto wurde von Anatoly Maksimchuk, einem Forscher am Zentrum, zur Verfügung gestellt.

Linearbeschleuniger am Stanford National Accelerator Laboratory (USA). Foto von Peter Kaminski.

Enrico Fermi mit einer Zeichnung eines Zyklotrons mit einem Durchmesser von mehr als 12,5 Tausend Kilometern – einem Fermitron.

Schema der Elektronenbeschleunigung während der Selbstfokussierung eines Laserpulses in einem Plasma. Bei einer Länge von 1 Zentimeter gewinnen sie Energie bis zu 800 MeV.

Die vom Laser gebildete Blase beschleunigt die in das Plasma geschleuderten (injizierten) Elektronen. Das Beschleunigungsfeld konzentriert sich nahe seiner hinteren Grenze.

Schema der Protonenbeschleunigung von der Rückseite der Folie. Sie fliegen aus den Wasserstoffatomen des Wassers heraus und bedecken die Folie mit einem dünnen Film.

Beschleunigung von Protonen aus ultradünner Folie im gerichteten Coulomb-Explosionsmodus.

Was ist also so attraktiv an Ultrakurzzeitlasern? Erstens gerade wegen seiner extrem kurzen Dauer, die es ermöglicht, mit vertretbarer Laserenergie eine Rekordleistung zu erreichen. Somit beträgt bei einer relativ geringen Laserenergie von 30 J die Leistung, die einer Laserpulsdauer von 30 fs entspricht, 1 Petawatt (PW) = 10 15 W, also übersteigt sie die Gesamtleistung aller Kraftwerke der Welt! Darüber hinaus ermöglicht Laserstrahlung die Konzentration von Energie in einem Volumen im Mikrometerbereich und damit die Aufzeichnung der Energiedichte. Moderne Methoden zur Fokussierung von Laserstrahlung ermöglichen es, Laserstrahlen auf einen Punkt mit einer Größe nahe der Beugungsgrenze in der Größenordnung von 1 Mikrometer (µm) zu reduzieren. Dementsprechend kann die Energieflussdichte eines 1-PW-Laserpulses bis zu 10 23 W/cm 2 erreichen. Bereits jetzt wurde an der leistungsschwächeren Hercules-Anlage mit 300 TW eine Rekordintensität von 2 × 10 22 W/cm 2 erreicht. Wenn wir berücksichtigen, dass die Energie, die ein ultrakurzer Laserpuls transportieren kann, Hunderte von Joule erreichen kann, sollten wir in den kommenden Jahren mit dem Erscheinen noch intensiverer Laser rechnen. Darüber hinaus handelt es sich nicht um riesige „Laserfabriken“ auf Megajoule-Energieniveau, die derzeit für die Laser-Thermonuklearfusion entstehen, sondern um recht kompakte Anlagen im Labormaßstab. Sie werden üblicherweise als superstarke Laser auf einem Tisch bezeichnet. Und wenn solche Laser auftauchen, werden sie dann superstarke elektrische Felder auf dem Tisch erzeugen, die Teilchen beschleunigen können, und zwar mit einer Beschleunigungsrate, die weit über der liegt, die bei Beschleunigern erreicht wird, einschließlich der größten Versuchsanlage der Welt – dem Large Hadron Collider? Die Antwort auf diese Frage ist positiv, aber bevor wir sie im Detail diskutieren, wollen wir sie von der historischen Seite betrachten.

Im letzten Jahrhundert beherrschte die neugierige Menschheit beharrlich verschiedene Arten von Beschleunigern und versuchte, geladene Teilchen auf immer höhere Energien zu beschleunigen, was erforderlich war, um die Geheimnisse der Mikrowelt zu verstehen. Es hat sich ein eigenständiger Zweig der Elementarteilchenphysik gebildet – die Hochenergiephysik –, der die Wechselwirkungen von Elementarteilchen bei Kollisionsenergien untersucht, die die Massen der kollidierenden Teilchen selbst deutlich übersteigen. Allerdings wird der Beschleuniger umso größer, je höher die Energie ist, auf die die Teilchen beschleunigt werden. Der größte Linearbeschleuniger wird an der Stanford University (USA) gebaut und beschleunigt auf einer Länge von 2 Meilen (3,2 km) Elektronen und Positronen auf Energien von etwa 50 GeV. Beachten Sie, dass Linearbeschleuniger gegenüber zyklischen Beschleunigern einen wesentlichen Vorteil haben: Die darin enthaltenen Elektronen verlieren keine Energie, da sie aufgrund der konstanten Geschwindigkeit in Größe und Richtung fast keine Strahlung abgeben. Die endgültige Teilchenenergie kann durch einfaches Erhöhen der Länge erhöht werden, dies ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen begrenzt. Tatsache ist, dass in Beschleunigern die Energie geladener Teilchen unter dem Einfluss eines entlang des Impulses des Teilchens gerichteten elektrischen Feldes zunimmt und alle Teile des Beschleunigers aus Atomen bestehen, deren Elektronen sich leicht vom Teilchen trennen lassen Kerne entstehen, wenn ein ausreichend starkes elektrisches Feld angelegt wird. Im besten Fall ist es möglich, Hochspannungsfestigkeiten entsprechend Feldstärken in der Größenordnung von 100 Megavolt (MV) zu erreichen.
pro Meter Mit einem weiteren Spannungsanstieg beginnt ein intensiver Elektronenausstoß aus der Materialoberfläche, der auf die Wände trifft und Lawinen von Sekundärelektronen erzeugt. Dann kommt es zu einer Hochspannungsentladung, die zur Zerstörung führt.

In Linearbeschleunigern werden leichte Teilchen typischerweise durch ein hochfrequentes elektrisches Feld beschleunigt und bewegen sich synchron (in Resonanz) mit Änderungen im Feld, sodass sich die elektrische Kraft immer in der Beschleunigungsphase relativ zum sich bewegenden Teilchen befindet. Dabei kommt im Wesentlichen das Prinzip des „Partikelsurfens“ auf einer Hochfrequenzwelle zum Einsatz. In großen Linearbeschleunigern wird Hochfrequenzenergie durch große Vakuumgeräte, sogenannte Klystrons, bei Frequenzen von mehreren Gigahertz (GHz) erzeugt. Die Gefahr eines Durchschlags schränkt die zulässige Hochfrequenzfeldstärke und damit die Energiegewinnrate erheblich ein. Abgesehen von der wirtschaftlichen Machbarkeit begrenzt der Planet Erde selbst die maximale Teilchenenergie, die mit herkömmlichen Beschleunigern erreicht werden kann. In diesem Zusammenhang ist es interessant, sich an einen hypothetischen Beschleuniger für die ganze Erde zu erinnern, der als Fermitron bezeichnet werden kann, da seine Skizze in den 1940er Jahren von E. Fermi angefertigt wurde. Selbst ein solcher Beschleuniger ermöglicht es dem Elektron nicht, Energie über 1 Petaelektronenvolt (PeV) = 10 15 eV zu gewinnen. Es liegt auf der Hand, dass eine einfache Verlängerung des Beschleunigers in eine Sackgasse führt, solange wir uns einen qualitativen Durchbruch in der Beschleunigungseffizienz zum Ziel setzen. Wenn Elektronen eine Länge von 1 GeV benötigen, um in einem Linearbeschleuniger 1 GeV zu erreichen,
100 m, dann wird für eine Energie von 1 TeV ein 100 km langer Beschleuniger benötigt!

Eine deutliche Steigerung der Teilchenbeschleunigung mittels Hochleistungs-Kurzpulslasern könnte die Größe des Beschleunigers radikal reduzieren. Tatsächlich können die besprochenen Laserpulse superstarke Felder anregen, aber das reicht, wie wir gesehen haben, nicht aus. Es ist notwendig, das Vakuum mit den Strukturelementen der traditionellen Beschleunigertechnologie aufzugeben und durch ein Medium zu ersetzen, das ultrastarken Feldern standhält. Und hier kommt die Natur selbst zur Rettung. Unter dem Einfluss intensiver Laserpulse verwandelt sich jede Substanz in Plasma. Dies ist leicht zu verstehen, wenn man bedenkt, dass intraatomare Felder im Vergleich zu Laserfeldern klein ausfallen. Ein Laserpuls breitet sich beispielsweise durch ein Gas aus und ionisiert es an seiner Vorderkante vollständig. Das hinter der Front entstehende Plasma ist das fruchtbare Medium, das die Existenz riesiger elektrischer Felder in ihm ermöglicht. Und wenn das begrenzende elektrische Feld für einen herkömmlichen Beschleuniger, wie wir gesehen haben, 100 MV/m nicht überschreitet, kann es im Plasma mindestens drei Größenordnungen höher sein – 100 GV/m, und damit die Länge von Das Gaspedal kann gleich mal weniger sein! Es bleibt nur noch, im Plasma ein Hochfrequenzfeld zu erzeugen, ähnlich dem Feld in einem Linearbeschleuniger. Dies wurde vor mehr als dreißig Jahren erfunden, aber erst vor kurzem umgesetzt, um Elektronenpakete mit Energien von Hunderten von MeV zu erzeugen.

Der Laserpuls breitet sich im Plasma aus und stößt Elektronen aus. Da die Ionen zu massereich sind, bleiben sie nahezu bewegungslos und bilden einen gleichmäßigen, positiv geladenen Hintergrund. Das elektrische Feld dieser positiven Ladung hat die Tendenz, die durch den Impuls herausgedrückten Elektronen zurückzugeben. Durch dieses Feld beschleunigt, schießen die Elektronen über ihre Ausgangsposition hinaus. Dadurch entstehen Schwingungen relativ zu den Ionen, die Plasmaschwingungen genannt werden. Während sich der Laserpuls durch das Plasma bewegt, folgen diese Schwingungen direkt dahinter. Am Ende des Impulses erscheint ein Bereich mit verringerter Elektronendichte, gefolgt von einem erhöhten, dann wieder verringerten usw. In einer solchen Welle, einer Ladungstrennungswelle, die von Physikern als Wake-Welle bezeichnet wird, breitet sich die Phase mit einer Impulsgeschwindigkeit (nahe der Lichtgeschwindigkeit) durch das Plasma aus. Das elektrische Feld dieser Welle ähnelt dem Hochfrequenzfeld eines Linearbeschleunigers. In der einen Hälfte der Periode ist es in die Ausbreitungsrichtung des Impulses gerichtet, in der anderen in die entgegengesetzte Richtung. Jetzt müssen Sie ein Elektron mit einer Anfangsgeschwindigkeit nahe der Pulsgeschwindigkeit im beschleunigenden Teil des Plasmahalbzyklus platzieren, und dann beginnt es, sich zusammen mit der Welle zu bewegen, zu beschleunigen. Diese Beschleunigungsmethode wird als Nachlaufbeschleunigung bezeichnet. Dies funktioniert jedoch nur, wenn der Laserpuls, der sich durch das Plasma ausbreitet, nicht divergiert. Und auch hier kommt die Natur zu Hilfe, und zwar in Form des Phänomens der Selbstfokussierung des Lichts im Plasma, das 1961 vom sowjetischen Physiker G. A. Askaryan vorhergesagt wurde. Dadurch kann der Laserpuls nahezu ohne Intensitätsverlust eine weite Strecke im Plasma zurücklegen und so den beschleunigten Teilchen einen großen Energiegewinn verschaffen. Heute liegt der Rekord für die Energie beschleunigter Elektronen bei 800 MeV. Sie gewannen diese Energie über eine Länge von 1 cm. Indem man den Laserpuls künstlich verhinderte, dass er divergierte, indem man ihn durch eine mit Plasma gefüllte Kapillare leitete, war es möglich, Elektronen auf einer Länge von 3 cm auf eine Energie von 1 GeV zu beschleunigen.

Beachten Sie, dass Elektronenenergien von Hunderten von MeV, die während der Nachlaufbeschleunigung erhalten wurden, durch die Anregung eines sehr eigenartigen Plasmafelds mit nur einer Periode durch einen Laserpuls erreicht wurden. In diesem Modus überstieg die Intensität des Lichtimpulses 10 19 W/cm 2 und der Lichtdruck auf die Plasmaelektronen war so groß, dass hinter dem Impuls ein abgerundeter Bereich entstand, in dem sich praktisch keine Elektronen befanden. Dieser Modus wird Blasenmodus genannt. Tatsächlich fliegt ein positiv geladenes Loch mit einer charakteristischen Größe in der Größenordnung des Laserfleckdurchmessers (10–20 Mikrometer) hinter dem Impuls her; Das Plasmafeld, das Elektronen beschleunigen kann, konzentriert sich in der Nähe seiner hinteren Grenze. Und hier ist die Frage berechtigt: Von welcher Beschleunigung können wir sprechen, wenn auf den ersten Blick in der sich bildenden Struktur nichts zu beschleunigen ist, da fast alle Elektronen aus der Blase herausgedrückt werden? Dies zeigt deutlich das Problem der Nachlaufbeschleunigung – die Gewährleistung einer effizienten Injektion von Elektronen in das beschleunigende Plasmafeld. Es kommt jedoch auch vor, dass keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden. Dabei handelt es sich um die sogenannte Selbstinjektion, bei der aus verschiedenen Gründen eine kleine Anzahl Elektronen mit relativistischer Geschwindigkeit in das Beschleunigungsfeld injiziert wird. Im Blasenmodus geschieht dies aufgrund des radialen elektrischen Feldes einer positiv geladenen Blase. In der Abbildung ist die Flugbahn dieser Elektronen, die sich am Rand der Blase sammeln, durch einen halbkreisförmigen Pfeil dargestellt. Da es nur wenige solcher Elektronen gibt, ist der Strom beschleunigter Teilchen sehr gering. In der Regel handelt es sich um die Gesamtladung von Teilchen, die auf ein hohes Energieniveau von nur einigen zehn Pikoculomb (10–12 °C) beschleunigt werden.

Seit langem werden verschiedene Schemata zur Injektion von Elektronen in ein beschleunigendes Plasmafeld diskutiert, die es ermöglichen, Elektronen mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit zu erhalten und eine beträchtliche Anzahl davon zu erreichen. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, einen vorbereiteten Elektronenstrahl zu verwenden, der mit dem Laserpuls synchronisiert ist, in den er eingekoppelt wird. Bei dieser sogenannten optischen Injektion wird durch den Lichtdruck eines zusätzlichen Pulses und eine Reihe weiterer Spezialtechniken ein Elektronenpaket erzeugt. Ich werde hier nicht näher darauf eingehen, sondern als Beispiel nur eine Technik nennen, deren Auftreten mit einem merkwürdigen Fall aus der persönlichen Praxis verbunden ist.

Seit vielen Jahren arbeiten wir FIAN-Theoretiker mit Experimentatoren am Center for Ultrafast Optical Phenomena (CUOS) der University of Michigan (USA) zusammen, wo das oben erwähnte Hercules-Lasersystem mit der höchsten Intensität der Welt arbeitet. Mit diesem Aufbau erreichten die CUOS-Forscher durch Variation der Laser- und Strahlparameter eine stabile Erzeugung von Elektronenpaketen im Blasenmodus bei der Bestrahlung eines Heliumgasstrahls. Wir, zusammen mit Wissenschaftlern des Russischen Föderalen Kernzentrums – Allrussisches Forschungsinstitut für Technische Physik, benannt nach ihm. Der Akademiker E.I. Zababakhin entwickelte theoretisch die Idee der sogenannten Ionisationsinjektion für ein solches Regime. Seine Bedeutung besteht darin, als Ziel nicht Helium zu verwenden, das an der Vorderseite des Laserpulses vollständig ionisiert wird, hinter dem fast keine Elektronen mehr zur Beschleunigung übrig sind, sondern ein schwereres Gas. Es wird erst am Ende des Laserpulses an der Vorderkante ionisiert, kann aber beim Maximum des Pulses weiter ionisiert werden, wo ein starkes Laserfeld in der Lage ist, Elektronen aus den unteren Schalen des Atoms zu entfernen. Dann könnten diese Elektronen effizienter vom Plasmafeld eingefangen und beschleunigt werden, was unserer Meinung nach zu einer Erhöhung des Stroms hochenergetischer Teilchen führen würde. Unser Vorschlag, ein schwereres Gas zu verwenden, stieß jedoch bei den CUOS-Experimentatoren auf Skepsis, und es gab tatsächlich vernünftige Argumente dafür. Tatsache ist, dass ein schweres Atom bei der Ionisierung so viele Elektronen erzeugt, dass das entstehende Plasma den Durchgang des Laserpulses verhindert. Daher setzten die Experimentatoren ihre Experimente mit Helium fort und wir Theoretiker versuchten, ein geeigneteres schweres Gas zu finden. Wie so oft lag die Wahrheit in der Mitte, und ein seltsamer Vorfall half, sie ans Licht zu bringen.

Um eine nachhaltige Erzeugung hochenergetischer Elektronenpakete zu erreichen, müssen diese in jedem Laserschuss erkennbar sein. Dies ist jedoch bei einer geringen Anzahl beschleunigter Teilchen nicht möglich. Allerdings wurde eine solche mehr oder weniger stabile Erzeugung immer noch beobachtet, und zwar nur morgens, zu Beginn des Arbeitstages. Nach zwei oder drei Stunden hörte es auf, und für den Rest der Zeit erzeugte das Experiment entweder beschleunigte Teilchen oder nicht. Am Ende entstand die Vermutung, dass eine stabilere Elektronenerzeugung in den Morgenstunden durch die Luft ermöglicht wird, die über Nacht in die Rohre, Schläuche und andere Geräte eindringt, die den Heliumstrahl erzeugen. So fand das Experiment am Morgen nicht mit absolut reinem Helium statt, sondern mit Helium, das eine kleine Beimischung schwerer Atome (Stickstoff, Sauerstoff) enthielt. Die Vermutung wurde gezielt überprüft, indem dem Helium kleine Mengen verschiedener Inertgase und Stickstoff zugesetzt wurden. Durch die Anpassung der Konzentration schwerer Atome gelang es den CUOS-Experimentatoren, die Anzahl der beschleunigten Teilchen um zwei Größenordnungen zu erhöhen. Auf diese Weise wurde der Mechanismus der Ionisierungselektroneninjektion entdeckt. Ich möchte anmerken, dass gerade von Experimenten von Forschern der University of California (Los Angeles) und des US-amerikanischen Livermore National Laboratory bekannt geworden ist, bei denen es dank Ionisationsinjektion möglich war, Elektronen auf eine Energie von 1,5 GeV zu beschleunigen . Die wissenschaftliche Gemeinschaft erwartet mit Spannung die Veröffentlichung dieser Ergebnisse.

Ein weiteres Plasmamedium, das Teilchen beschleunigen könnte, ist Plasma mit der Dichte eines Feststoffs. Es entsteht auf natürliche Weise durch einen kurzen Laserpuls, der die Folie bestrahlt. Die Dicke von Folien liegt in der Regel zwischen einem Mikrometer und mehreren zehn Mikrometern. In den letzten Jahren wurden Festkörperlasertargets zunehmend als Quelle relativistischer Elektronen eingesetzt. Auf ihrer Grundlage wurde sogar ein kontinuierlicher „Beschleuniger“ geschaffen, bei dem Laserimpulse mit einer hohen Wiederholungsrate von fast Kilohertz (tausend Impulse pro Sekunde) nacheinander folgen. Auf festen Zielen ist es möglich, die Anzahl der in einem Laserblitz beschleunigten Elektronen deutlich zu erhöhen. Allerdings ist ihre Energie geringer als beim Gasplasma. Hier werden wir nicht auf die Beschleunigung von Elektronen aus Folien eingehen, sondern mit ihrer Hilfe über die Beschleunigung schwererer Teilchen – Protonen – sprechen.

Wie kommt es zur Protonenbeschleunigung, wenn kurze Hochleistungslaserpulse auf Folie aufgebracht werden? Zunächst ionisiert die Laserstrahlung das Target und beschleunigt die dabei entstehenden Elektronen, die die Folie durchdringen und auf der gegenüberliegenden Seite herausfliegen. Die Quelle dieser Elektronen ist die Plasmakorona (Präplasma), die an der Vorderseite des Targets erscheint, da dem Laserpuls aus technischen Gründen eine ziemlich lange Nanosekundenskala (1 ns = 10–) vorausgeht. 9 s), Vorimpuls geringer Intensität (Sockel). In Richtung des Laserpulses beschleunigte Präplasma-Elektronen können nicht weit über das Ziel hinausfliegen, da sie durch das elektrische Feld der in der Folie verbleibenden Ionen abgebremst werden. Dadurch entsteht nahe der Rückseite der Folie eine negativ geladene Elektronenwolke – eine virtuelle Kathode und ein elektrisches Feld, das senkrecht zur Targetoberfläche gerichtet ist und die Ladungen trennt. Es ionisiert Atome, die sich auf der Rückseite des Targets befinden. In der Regel (wenn man keine besonderen Maßnahmen zur Reinigung der Oberfläche ergreift) befinden sich unter den dort gebildeten Ionen viele Protonen. Sie fliegen aus Wasserstoffatomen heraus, die Teil eines sehr dünnen Wasserfilms sind, der auf der Oberfläche der Folie adsorbiert ist. Und dann beginnen die Protonen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes der Ladungstrennung zu beschleunigen und erreichen Energien von mehreren zehn MeV.

Natürlich beschleunigt das Ladungstrennfeld auch schwerere Zielionen, die hinter den Protonen fliegen. Die pro Nukleon gewonnene Ionenenergie ist jedoch bei Protonen maximal, da bei ihnen das Ladungs-zu-Masse-Verhältnis maximal ist. Um die Effizienz der Energieübertragung auf schwerere Ionen zu erhöhen, ist es notwendig, die Rückseite der Folie vom Wasserfilm zu befreien, indem das Ziel auf eine hohe Temperatur erhitzt oder seine Oberfläche vor dem Eintreffen des Hauptimpulses mit einem schwachen Laserimpuls bestrahlt wird .

Bis heute liegt die Rekordenergie beschleunigter Protonen bei etwa 70 MeV. Ziel ist es, diesen Wert in den kommenden Jahren auf dem aktuellen Niveau der Laserenergie deutlich zu steigern. Ein Erfolg in dieser Richtung ist sowohl mit Fortschritten bei der Herstellung von Mikrotargets als auch mit Verbesserungen der Qualität des Laserpulses verbunden. Lassen Sie uns dies anhand eines der diskutierten vielversprechenden Schemata zur Laserbeschleunigung von Protonen veranschaulichen. Vor einigen Jahren wurde nachgewiesen, dass die höchste Energie beschleunigter Protonen mit ultradünnen Folien erreicht wird. Die erforderliche Foliendicke sollte ungefähr der Tiefe der Hautschicht entsprechen, dem Bereich, in den das Laserfeld eindringt, um das dichte Plasma zu bestrahlen. Bei Plasma mit Festkörperdichte liegt dieser Wert je nach Intensität der Laserstrahlung zwischen mehreren und mehreren Hundert Nanometern (1 nm = 10–7 cm). Moderne Technologien ermöglichen die Herstellung qualitativ hochwertiger Nanofolien, die sich für den Einsatz als Targets eignen. Die Wechselwirkung eines starken Laserpulses mit einem solchen Ziel und die Beschleunigung von Partikeln erfolgt über dessen gesamtes Volumen. Da die Elektronenenergie relativistisch wird, können wir über die Entstehung einer neuen wissenschaftlichen Richtung sprechen – der relativistischen Nanoplasmonik. Wir haben bereits gesagt, dass ein echter Laserimpuls nicht ideal ist – er verfügt über einen Vorimpuls, der ein dünnes Ziel leicht zerstört, noch bevor der Hauptimpuls eintrifft. Mit dem Aufkommen der Plasmaspiegeltechnologie ist es möglich, den Laserpuls vom Vorpuls zu reinigen, und daraus erwachsen Hoffnungen auf eine effizientere Beschleunigung von Protonen in naher Zukunft.

Wie würde ein Schema zur Beschleunigung eines „idealen“ Laserpulses aus Protonen aus ultradünner Folie aussehen? Es wird eine submikrometergroße Folie entnommen, die aus einer Mischung schwerer Atome und Wasserstoff besteht. Unter Einwirkung eines kurzen Laserpulses wird die Folie ionisiert und die entstehenden Elektronen verlassen sie schnell. Die verbleibende positive Ladung der Ionen erfährt eine sogenannte Coulomb-Explosion. In diesem Fall werden die leichtesten Protonen herausgedrückt und bilden eine Schicht, die durch das elektrische Feld beschleunigt wird. Schwere Ionen fliegen hinter die Protonenschicht und wirken auf sie wie ein „Coulomb-Kolben“. Dieses Protonenbeschleunigungsschema wird durch dreidimensionale numerische Simulationen bestätigt.

Zum Abschluss dieser Kurzgeschichte stelle ich fest, dass parallel zur Entwicklung von Methoden zur Laserbeschleunigung von Teilchen und Methoden zur Verbesserung der Qualität der erzeugten Ionen- und Elektronenstrahlen eine breite Diskussion und Experimentierung zu deren praktischer Anwendung stattfindet. Unter ihnen:

schnelle Zündung eines thermonuklearen Ziels (wenn hochenergetische Partikel in komprimierten thermonuklearen Brennstoff geleitet werden und diesen entzünden, wodurch eine Fusionsreaktion ausgelöst wird, ähnlich wie eine Kerze den Brennstoff in einem Verbrennungsmotor entzündet);

Elektronen- und Protonenradiographie (mit der Sie die Struktur und die inneren Felder dichter Materie wie bei einem Röntgenbild sehen können);

Elektronen- und Hadronen-Krebstherapie (derzeit nur mit Beschleunigern verfügbar, was den Einsatz dieser Behandlungsmethode einschränkt);

Auslösung von Kernreaktionen, einschließlich der Produktion kurzlebiger Isotope und einer Kurzpuls-Neutronenquelle (was Laser zu einem nützlichen Werkzeug in der Kernphysik und -technologie macht);

neue Quellen elektromagnetischer Strahlung (von Terahertzwellen bis Gammastrahlung) und vieles mehr.

Es wird ein schwieriger Weg sein, all diese praktischen Ergebnisse zu erzielen, aber der Gewinn wird eine Errungenschaft auf globaler Ebene sein.

Literatur

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

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4. Brantov A.V., Bychenkov V.Yu. // Plasmaphysik, 2010, v. 36, p. 279.

Mai 2006 Nr. 5 „IN DER WELT DER WISSENSCHAFT“
Physik

PLASMABESCHLEUNIGER

Chandrashekar Joshi

In neuen Beschleunigern werden Elementarteilchen enorme Energie ansammeln, während sie auf den Wellenkämmen von Plasmawellen gleiten.

Mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern versuchen Physiker, die grundlegenden Geheimnisse der Natur zu entschlüsseln. In diesen riesigen Anlagen werden geladene Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und kollidieren dann miteinander, wodurch die Bedingungen wiederhergestellt werden, die zum Zeitpunkt der Geburt des Universums herrschten. Durch die Analyse der Ergebnisse von Kollisionen versuchen Wissenschaftler zu verstehen, wie scheinbar unterschiedliche Kräfte und Teilchen miteinander in Beziehung stehen und wie ihre Wechselwirkung im Rahmen einer einheitlichen Theorie beschrieben werden könnte. Doch je näher die Physiker der Aufklärung der innersten Geheimnisse der Schöpfung kommen, desto leistungsfähigere und teurere Beschleuniger werden für die Durchführung von Experimenten benötigt.

Der leistungsstärkste Beschleuniger befindet sich derzeit im Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) im Bau. Die Rede ist vom Large Hadron Collider (LHC) mit einem Durchmesser von 8,6 km, der 2007 in Betrieb gehen wird. Protonen darin werden um sieben Billionen Volt beschleunigt, und ihre Kollisionen werden uns verraten, woher die Masse der Teilchen kommt ( siehe „Mysteries Mass“, „VMN“, Nr. 10, 2005). Mithilfe vorhandener Anlagen versuchen Wissenschaftler, Quark-Gluon-Plasma (den Ausgangszustand der Materie) zu gewinnen und zu verstehen, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Heutzutage nutzen alle Beschleuniger die alte, umständliche Technologie, geladene Teilchen mit Mikrowellenstrahlung zu beschleunigen.

Plasmabeschleuniger beschleunigen Elektronen auf mehrere hundert MeV und stehen auf einem Labortisch.

REZENSION: PLASMA-SURFEN Seit Jahrzehnten werden Mikrowellenresonatoren eingesetzt, um Elementarteilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Aus ihnen besteht auch der Large Hadron Collider (LHC) mit einem Durchmesser von 8,6 km, der 2007 gestartet wird. Die Technologie der Beschleunigung von Elektronen und Positronen, die auf einer in einem Plasma angeregten elektromagnetischen Welle gleiten, wird es ermöglichen, die Größe und Kosten von Hochenergiebeschleunigern deutlich zu reduzieren. Die neue Technik wurde bereits in Laborexperimenten getestet. Basierend auf Plasmageräten wird es möglich sein, Tischbeschleuniger mit niedriger Energie für die Forschung in den Bereichen Materialwissenschaften, Strukturbiologie, Nuklearmedizin und Lebensmittelsterilisation zu entwickeln.

Im vergangenen Dreivierteljahrhundert ist die Leistung von Beschleunigern alle zehn Jahre um etwa eine Größenordnung gestiegen, was Wissenschaftlern viele grundlegende Entdeckungen in der Kern- und Teilchenphysik ermöglicht hat. Aber wird dieser Fortschritt anhalten? Mikrowellenbeschleuniger scheinen an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angelangt zu sein. 1993 stellte der US-Kongress die Finanzierung eines supraleitenden Superkolliders mit 28 km Durchmesser und 8 Milliarden US-Dollar ein, der doppelt so leistungsstark wie der LHC gewesen wäre. Physiker hoffen nun, dass neben dem LHC ein 30 km langer Linearcollider gebaut wird, es gibt jedoch keine Gewissheit, dass das milliardenschwere Projekt nicht das Schicksal des Supercolliders teilen wird. Neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung mittels Plasma hätten zu keinem günstigeren Zeitpunkt kommen können, deren Einsatz die Größe und Kosten von Beschleunigern für die Höchstenergiephysik (100 GeV und mehr) deutlich reduzieren wird.

Neben riesigen Beschleunigern, die mit extrem hohen Energien arbeiten, gibt es auch bescheidenere Maschinen. Sie werden in den Materialwissenschaften, der Strukturbiologie, der Nuklearmedizin sowie bei der Erforschung der Kernfusion, der Lebensmittelsterilisation, der Behandlung nuklearer Abfälle und der Behandlung bestimmter Krebsarten eingesetzt. In solchen Anlagen ist die Energie der Elektronen bzw. Protonen relativ gering (von 100 MeV bis 1 GeV), sie nehmen aber dennoch viel Platz ein. In naher Zukunft werden sie höchstwahrscheinlich durch Desktop-Plasmabeschleuniger ersetzt.

BUBBLE-MODUS

Ein Wakefield-Beschleuniger nutzt eine Beschleunigungskraft, die durch eine gestörte Ladungsverteilung, das sogenannte Wakefield, erzeugt wird. Der führende Laser- oder Elektronenpuls drückt Plasmaelektronen (weiß) an die Peripherie und hinterlässt einen Bereich positiver Ladung (grün). Es zieht negativ geladene Elektronen zurück und hinter dem führenden Impuls bildet sich eine Elektronenblase. Entlang der Ausbreitungsachse des Strahls ähnelt das elektrische Feld (siehe unten) einer sehr steilen Meereswelle, die kurz vor dem Brechen steht. Das Wakefield verleiht dem angetriebenen Elektronenpuls, der an der Rückseite der Blase gefangen ist, eine starke Beschleunigung.

Mikrowellenstrahlung und Plasma

Bevor wir uns mit der neuen Technologie befassen, werfen wir einen genaueren Blick auf klassische Beschleuniger. Erstens beschleunigen sie entweder leichte Elementarteilchen (Elektronen und Positronen) oder schwere (Protonen und Antiprotonen). Zweitens können Teilchen entweder in einem geraden Durchgang oder in mehreren Kreisumdrehungen beschleunigt werden. Beispielsweise ist der LHC eine ringförmige Anlage, in der zwei Protonenstrahlen kollidieren. Nach dem LHC hoffen die Physiker, einen linearen Kollider aus Elektronen und Positronen mit einer Energie am Kollisionspunkt in der Größenordnung von 0,5 TeV zu bauen. Bei solchen Energien müssen Elektronen und Positronen geradlinig beschleunigen, da eine Kreisbeschleunigung zu übermäßigen Energieverlusten bei der Synchrotronstrahlung führen würde. Plasmabeschleuniger eignen sich am besten zur linearen Beschleunigung leichter Teilchen.

Ein herkömmlicher Linearbeschleuniger beschleunigt Teilchen durch ein elektrisches Feld, das sich synchron mit ihnen bewegt. In einem langsamwelligen Hohlraumresonator (einem Metallrohr mit periodisch angeordneten Membranen) wird mithilfe starker Mikrowellenstrahlung ein elektrisches Feld erzeugt. Bei einer Feldstärke von 20 MV/m bis 50 MV/m kommt es zu einem elektrischen Durchschlag: Von den Metallwänden der Resonatoren springen elektrische Funken und der Strom in ihnen fällt stark ab. Da die elektrische Feldstärke unterhalb der Durchbruchsschwelle liegen muss, sind große Entfernungen erforderlich, um Teilchen auf hohe Energien zu beschleunigen. Um beispielsweise einen Billionen-Volt-Teilchenstrahl zu erzeugen, ist ein 30 km langer Beschleuniger erforderlich. Wenn wir nicht durch die elektrische Durchschlagsgrenze eingeschränkt wären, könnte es kompakter gemacht werden.

In Beschleunigern des neuen Typs übernimmt ionisiertes Gas die Rolle der beschleunigenden Struktur, d.h. Plasma. Der elektrische Durchschlag wird zu einem der Hauptkonstruktionselemente, da er für die Gasionisierung notwendig ist. Die Energiequelle ist keine Mikrowellenstrahlung, sondern ein Laserstrahl oder ein Strahl geladener Teilchen.

Es scheint, dass weder das eine noch das andere zur Beschleunigung von Elementarteilchen geeignet ist: Sowohl im Laserstrahl als auch im Fluss geladener Teilchen gibt es starke elektrische Felder, deren Vektoren jedoch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Aber in einem Beschleuniger muss das elektrische Feld longitudinal sein, d. h. auf die Bewegung beschleunigter Teilchen gerichtet. Wenn ein Laserstrahl oder ein Strahl geladener Teilchen ein Plasma durchquert, kann glücklicherweise darin ein starkes elektrisches Längsfeld erzeugt werden.

Plasma ist im Allgemeinen elektrisch neutral und enthält gleiche Mengen negativer (Elektronen) und positiver (Ionen) Ladungen. Ein starker Laserpuls oder eine Ansammlung von Partikeln erzeugen eine Störung im Plasma. Im Wesentlichen entfernt der Strahl leichte Elektronen von schwereren positiven Ionen, was zu Bereichen mit überschüssigen positiven und überschüssigen negativen Ladungen führt (siehe Abbildung oben). Die Störung erzeugt eine Welle, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Plasma bewegt. Ein starkes elektrisches Feld, das vom Bereich positiver Ladung zum Bereich negativer Ladung gerichtet ist, beschleunigt die darin gefangenen geladenen Teilchen.

Ionisiertes Gas kann die Beschleunigung elektrischer Felder von fantastischer Stärke unterstützen. Beispielsweise kann in einem Plasma mit 10 18 Elektronen pro 1 cm 3 (ein ziemlich häufiger Wert) eine Welle mit einem elektrischen Spitzenfeld von -100 GV/m entstehen – tausendmal größer als in einem herkömmlichen Mikrowellenbeschleuniger. Es gibt jedoch ein grundlegendes Problem: Die typische Länge einer Mikrowellenwelle beträgt 10 cm, die Länge einer Plasmawelle beträgt nur 30 Mikrometer, und es ist sehr schwierig, ein Bündel beschleunigter Elektronen darin zu platzieren.

Die beschriebene Methode zur Beschleunigung von Elementarteilchen mittels Plasma wurde bereits 1979 von John M. Dawson von der University of California in Los Angeles (UCLA) vorgeschlagen. Doch bis zu einem Experiment, bei dem Elektronen in Plasmawellen beschleunigt wurden, vergingen fast eineinhalb Jahrzehnte. Der Autor des Artikels hat dieses Problem 1993 zusammen mit Kollegen der UCLA eindeutig gelöst. Besondere Aufmerksamkeit verdienen zwei neue Arten von Beschleunigern: mit Laser- und Plasma-Wakefields. Das Laser-Wakefield wird breite Anwendung in Desktop-Beschleunigern mit geringer Leistung finden, und das Plasma-Wakefield wird breite Anwendung in ultraleistungsstarken Kollidern finden, die die höchste Kollisionsenergie liefern.

BESCHLEUNIGER MIT LASER-WAKEFELD

Ein Tischplasmabeschleuniger fokussiert einen hochintensiven Laserstrahl auf einen Überschallstrahl aus Heliumgas (links). Der Lichtimpuls erzeugt im Gasstrom ein Plasma, und das Nachlauffeld beschleunigt einige seiner Elektronen. Der entstehende Elektronenpuls wird gebündelt und durchläuft ein Magnetfeld, das die Teilchen entsprechend ihrer Energie ablenkt. Ein solcher Beschleuniger passt auf einen Tisch mit den Maßen 1,2 m x 1,8 m. Bilder von Elektronenstrahlen (rechts), die im Labor für Angewandte Optik des Französischen Polytechnischen Instituts aufgenommen wurden, zeigen, wie ein großes Hindernis überwunden wurde. Obwohl einige Elektronen auf 100 MeV beschleunigt wurden, erreichte das untere Ende des Energiebereichs 0 MeV(a). Darüber hinaus divergierte der Strahl um ein ganzes Grad. Im Gegensatz dazu gelang es in Experimenten mit dem kürzlich entdeckten Blasenmodus, einen gut fokussierten monoenergetischen Strahl mit einer Energie von etwa 180 MeV (b) zu erhalten.

Lichtimpulse

Heute können wir über die Entwicklung von Desktop-Plasmabeschleunigern sprechen, da uns kompakte Titan-Saphir-Laser zur Verfügung stehen, die ultrakurze Lichtimpulse mit einer Leistung von bis zu 10 TW erzeugen. Wenn ein solcher Impuls auf einen 2 mm langen Heliumstrahl gerichtet wird, entzieht er den Gasmolekülen sofort Elektronen und erzeugt so ein Plasma.

Der Lichtdruck der Laser-„Kugel“ ist so hoch, dass Elektronen in alle Richtungen „ausgeblasen“ werden. Die von ihnen hinterlassenen Ionen ziehen sie zurück, und die Elektronen strömen zur Achse, entlang derer sich der Laserpuls ausbreitet, überschießen diese und bewegen sich wieder nach außen. Das Ergebnis sind wellenartige Schwingungen, die als Laser-Wakefield bezeichnet werden.

Die Elektronen bilden eine Art Blase mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometern. Ein Laserpuls bewegt sich in der Nähe seiner Vorderseite und erzeugt Plasma. Das Innere der Blase besteht aus Ionen und das elektrische Feld darin ähnelt einer extrem hohen Meereswelle. Andere Konfigurationen sind möglich, aber der Blasenmodus bietet die zuverlässigste Beschleunigung von Elektronen.

Wenn eine Elektronenkanone Elektronen an eine Stelle im Plasma injiziert, an der sie bereits im Überfluss vorhanden sind, werden neue Teilchen durch das elektrische Feld in Richtung der positiven Ladungen im Inneren der Blase getrieben. Die Welle bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit vorwärts, daher müssen die eingeschossenen Elektronen annähernd Lichtgeschwindigkeit haben, um die Welle einzufangen und daraus zusätzliche Energie zu gewinnen. Nach der Relativitätstheorie erfolgt ein weiterer Anstieg der Energie der Elektronen hauptsächlich durch eine Zunahme ihrer Masse und nicht durch eine Zunahme ihrer Geschwindigkeit. Daher überholen sie die Plasmawelle nicht, sondern scheinen auf ihrem Wellenkamm zu gleiten und dabei immer mehr Energie aufzunehmen. Einige Elektronen aus dem Plasma selbst werden auf ähnliche Weise eingefangen und beschleunigt, wie Schaum, der auf dem Kamm einer Meereswelle gefangen ist.

Im Jahr 2002 zeigte Victor Malka vom Labor für Angewandte Optik am Französischen Polytechnischen Institut, dass ein lasergesteuertes Wakefield einen hochfokussierten Strahl mit 108 Elektronen erzeugen kann. Leider stellte sich heraus, dass der Energiebereich beschleunigter Elektronen sehr breit ist (von 1 MeV bis 200 MeV). In den meisten Fällen sind Elektronenstrahlen gleicher Energie erforderlich.

Bald wird es möglich sein, mit Tischplasmabeschleunigern niederenergetische Elektronenstrahlen zu erzeugen.

Die große Energiespreizung ist darauf zurückzuführen, dass Elektronen an unterschiedlichen Punkten und zu unterschiedlichen Zeiten von der Feldwelle eingefangen werden. In einem herkömmlichen Beschleuniger werden Teilchen an einer Stelle nahe der Spitze des elektrischen Feldes injiziert. Wissenschaftler glaubten, dass eine so präzise Injektion in einen Beschleuniger mit Laser-Wakefield unmöglich sei, weil Die Beschleunigungsstruktur ist mikroskopisch klein und existiert nur für sehr kurze Zeit. Doch im Jahr 2004 entdeckten drei konkurrierende Forscherteams aus den USA, Frankreich und dem Vereinigten Königreich gleichzeitig ein neues physikalisches Regime, in dem sich selbst gefangene Elektronen als eine Einheit bewegen und die gleiche Energie erreichen. Alle drei Gruppen verwendeten Laser mit höherer Leistung als zuvor (10 TW und mehr). Wenn ein so starker Laserpuls ein Plasma durchläuft, wird er kürzer und erzeugt eine große Elektronenblase, die Elektronen aus dem Plasma einfängt. Es gibt so viele solcher selbsteingefangenen Elektronen, dass sie der Nachlaufwelle ziemlich viel Energie entziehen und das Einfangen neuer Teilchen aufhört. Die energiereichsten Elektronen an der Spitze des Bündels sind der Welle voraus und beginnen, Energie zu verlieren, während die nacheilenden Elektronen mit niedrigerer Energie weiterhin Energie gewinnen.

Das Ergebnis ist ein Elektronenstrahl mit einer engen Energieverteilung. Beispielsweise wurde in Malkas Experimenten seine Ausbreitung bei einer Strahlintensität von etwa 109 Elektronen von 100 % auf 10 % reduziert. Auch seine Winkelstreuung nahm merklich ab: Sie erwies sich als vergleichbar mit der Winkelstreuung der Strahlen, die von den besten linearen Mikrowellenbeschleunigern erzeugt wurden. Die resultierenden Elektronenstrahlen waren tatsächlich Pulse mit einer Dauer von nur 10 fs, also waren die kürzesten, die jemals in Beschleunigern erzeugt wurden. Daher können sie als Strahlungsquelle zur Untersuchung ultraschneller chemischer und biologischer Prozesse eingesetzt werden. Wenn ein solcher Elektronenpuls auf ein dünnes Metalltarget gerichtet wird, kann ein ebenso kurzer Röntgenpuls erhalten werden. Es ist wahrscheinlich, dass von Tischbeschleunigern erzeugte Röntgenstrahlen bald viele Anwendungen finden werden.

Im Prinzip kann ein Laser-Wakefield-Beschleuniger Elektronen auf Energien in der Größenordnung von 1 GeV beschleunigen, aber dazu muss eine Plasmawelle erzeugt werden, die über einen ganzen Zentimeter und nicht nur über ein paar Millimeter anhält. Damit der Laserstrahl, der ihn anregt, seine Intensität möglichst lange beibehält, ist es notwendig, dafür einen Plasmalichtleiter zu schaffen. Als vielversprechendste Methode gilt die vorläufige Bildung eines Plasmalichtleiters, die von Forschern des National Laboratory entwickelt wird. Lawrence in Berkeley. Bei dieser Methode ist die Elektronendichte nahe der Plasmaachse geringer als an der Peripherie. Daher ist der Brechungsindex in der Mitte des Plasmakanals höher als an der Peripherie, und der Kanal verhält sich wie eine optische Faser, die den Laserstrahl leitet. Experimente in Berkeley haben bereits gezeigt, dass solche Kanäle die Gewinnung monoenergetischer Elektronenstrahlen ermöglichen. Weitere technologische Verbesserungen werden wahrscheinlich zur Verfügbarkeit von Tischplasmabeschleunigern der GeV-Klasse führen.

PLASMA-NACHBRENNER

Die Beschleunigung in einem Plasma-Wakefield wurde kürzlich am Stanford Linear Collider (SLC) demonstriert. In der Plasmaanlage erhöhte sich die Energie des Elektronenstrahls um 4 GeV auf einer Wegstrecke von nur 10 cm, wofür in einem herkömmlichen Mikrowellenbeschleuniger eine Strecke von 200 m erforderlich wäre. Lithiumtabletten werden in einem speziellen Ofen verdampft. Der intensive Elektronenpuls (rot) ionisiert den Dampf und erzeugt ein Plasma. Es „bläst“ die Plasmaelektronen (blau) nach außen und bildet dahinter eine gestörte Ladungsverteilung, wodurch ein Beschleunigungsfeld entsteht. Elektronen im Nachlauffeld erfahren eine starke Beschleunigung (orangefarbene Pfeile).

In Abwesenheit von Lithium (a) war der durch SLC auf 30 GeV beschleunigte Elektronenstrahl monoenergetisch (vertikal abgeschiedene Energie). Nachdem sie 10 cm Lithiumplasma (b) passiert hatten, verloren viele der Strahlpartikel Energie und erzeugten ein Plasma-Wakefield (roter Schweif), das eine kleine Anzahl von Elektronen am hinteren Ende des Pulses auf höhere Energie beschleunigte (blauer Bereich oben). ).

Annäherung an die ultimative Energie

Ist es möglich, mit kompakten Plasmabeschleunigern Elementarteilchen auf Energien in der Größenordnung von 1 TeV zu beschleunigen? Im Prinzip wäre es möglich, Hunderte von kompakten Laser-Plasma-Beschleunigermodulen in Reihe zu schalten, was zu Energiesteigerungen von mehreren GeV führen würde. Ein ähnliches Kaskadenschema wird verwendet, um mit herkömmlichen Mikrowellenbeschleunigern hohe Energien zu erzielen. Allerdings ist die Kaskadierung von Plasmabeschleunigern mit enormen Schwierigkeiten verbunden.

Heute wird dem Plasma-Nachverbrennungsverfahren der Vorzug gegeben, bei dem ein Beschleuniger mit Plasma-Wakefield die Energie der von einem herkömmlichen Beschleuniger beschleunigten Teilchen verdoppelt. Letzterer erzeugt zwei Elektronen- oder Positronenimpulse mit einer Energie in der Größenordnung von mehreren hundert GeV. Der erste Impuls (der führende Impuls genannt) enthält dreimal mehr Partikel als der zweite (angetriebene). Sowohl die Dauer jedes Impulses als auch das Zeitintervall zwischen ihnen betragen normalerweise 100 fs. Wie bei einem Laserbeschleuniger trifft ein dichter Antriebsimpuls auf ein weniger dichtes Plasma und erzeugt eine Blase mit einem Wakefield. Der Prozess läuft auf die gleiche Weise ab wie in einem Beschleuniger mit Laser-Wakefield, allerdings werden Elektronen nicht durch den Lichtdruck des Strahls, sondern durch das elektrische Feld des Leitimpulses gestreut. Der angetriebene Impuls gelangt dann in die Elektronenblase und wird durch die Längskomponente des resultierenden elektrischen Feldes schnell beschleunigt.

Ein Beschleuniger mit Plasma-Wake-Feld hat bei Physikern, die an der Verbesserung der Beschleunigertechnologie beteiligt sind, großes Interesse geweckt. Was es so attraktiv machte, waren die Leistungen von Wissenschaftlern der UCLA, der University of Southern California und des Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Zunächst gelang es ihnen, einen meterlangen Plasmabeschleuniger sowohl für Elektronen als auch für Positronen zu schaffen. Es erforderte großes Geschick zu lernen, wie man die Stabilität der Vorderbalken in einem solchen Abstand aufrechterhält. Darüber hinaus haben Physiker eine Steigerung der Elektronenenergie um mehr als 4 GeV in einem Abstand von nur 10 cm nachgewiesen. Das Wichtigste ist, dass einer noch größeren Energiesteigerung keine grundsätzlichen Hindernisse entgegenstehen: Es reicht aus, die Elektronenenergie einfach zu verlängern Bereich mit Plasma.

Schließlich haben Wissenschaftler gezeigt, dass Plasma die Fokussierung eines Elektronen- oder Positronenstrahls um mindestens den Faktor zwei verbessert. Dies ist sehr wichtig für Collider, bei denen beschleunigte Teilchen auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert werden müssen. Je konzentrierter die Strahlen sind, desto mehr Kollisionen treten auf, deren Anzahl ein ebenso wichtiger Parameter des Beschleunigers ist wie ihre Energie.

Die aufgeführten Erfolge lassen uns über den Einsatz einer Plasmaschaltung nachdenken, um die obere Energiegrenze zu erreichen. Allerdings sollte die Technik zunächst an einem funktionierenden Beschleuniger getestet werden, der als erste Stufe dient. Beispielsweise könnte auf beiden Seiten des Kollisionspunkts am Stanford Linear Collider ein Paar 10 m langer Plasmageräte installiert werden, um die Teilchenenergie von 50 GeV auf 100 GeV zu erhöhen. Obwohl das Projekt noch nicht finanziert wurde, hat SLAC dem Energieministerium bereits vorgeschlagen, eine SABRE-Linie zu bauen, um Teilchen auf hohe Energien zu beschleunigen, um die Forschung fortzusetzen.

Auf einer 10 cm langen Strecke erhöht der Plasmabeschleuniger die Elektronenenergie um 4 GeV.

Wir haben das Funktionsprinzip von Beschleunigern in Bezug auf die Elektronenbeschleunigung untersucht. Um Positronen oder andere positiv geladene Teilchen zu beschleunigen, muss das elektrische Feld umgedreht werden. Als Leitstrahl kann beispielsweise ein Positronenstrahl verwendet werden. Seine positive Ladung zieht Plasmaelektronen nach innen, die wie zuvor an der Mittelachse vorbeigleiten und eine Blase bilden. In diesem Fall ändert sich die Richtung des elektrischen Feldes in die entgegengesetzte Richtung wie bei einem Elektronenpuls, der zur Beschleunigung des angetriebenen Positronenpulses erforderlich ist.

Plasmaanlagen können auch schwerere Teilchen beschleunigen, beispielsweise Protonen. Allerdings gibt es eine wichtige Voraussetzung: Die injizierten Teilchen müssen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, um mit der Plasmawelle mithalten zu können. Das bedeutet, dass die Energie der beschleunigten Protonen mindestens mehrere GeV betragen muss.

Die Plasmabeschleunigertechnologie entwickelt sich rasant weiter. Viele grundlegende Probleme wurden bereits gelöst, die Erstellung konkreter Geräte ist jedoch immer noch mit großen Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere müssen die Ingenieure noch die Effizienz des Beschleunigers (der Anteil der Antriebsimpulsenergie, der auf die beschleunigten Teilchen übertragen wird), die Genauigkeit der Strahlausrichtung (am Kollisionspunkt müssen sie auf wenige Nanometer genau ausgerichtet sein) und das verbessern Zyklusrate (die Anzahl der pro Zeiteinheit beschleunigten Impulse).

Die Entwickler eines konventionellen Beschleunigers brauchten 75 Jahre, um die Kollisionsenergie von Elektronen mit Positronen auf 200 GeV zu bringen. Die Plasmabeschleunigertechnologie schreitet viel schneller voran und Wissenschaftler hoffen, in nur wenigen Jahrzehnten die Grenzen von Mikrowellensystemen für die Hochenergiephysik zu erweitern.

ERHÖHUNG DER ENERGIE EINES KONVENTIONELLEN BESCHLEUNIGERS

Ein Experiment mit dem Stanford Linear Collider (SLC) könnte die Machbarkeit der Verwendung von Wakefield-Plasma-Nachbrennern zur Steigerung der Energie eines herkömmlichen Beschleunigers demonstrieren. Zehn Meter lange Nachbrenner, die an den Ausgängen des drei Kilometer langen SLC installiert sind, sollen die Energie vorbeschleunigter Elektronen und Positronen von 50 GeV auf 100 GeV erhöhen. Plasmalinsen helfen dabei, Strahlen mit doppelter Energie zu fokussieren, sodass sie an einem Punkt kollidieren. Der Elektronennachbrenner muss mit Plasma gefüllt sein und der Positronennachbrenner muss einen hohlen axialen Kanal haben. Das beschriebene Experiment wurde bisher nicht gefördert.

ZUSÄTZLICHE LITERATUR:

Plasmateilchenbeschleuniger. John M. Dawson in Scientific American, Bd. 260, Nr. 3, Seiten 54-61; März 1989.

Plasmabeschleuniger an der Energiegrenze und auf Tischplatten. Chandra-shekhar Joshi und Thomas Katsouleas in Physics Today, Bd. 56, Nr. 6; Seiten 47-53; Juni 2003.

Beschleunigerphysik: Elektronen hängen an der Laserwelle. Thomas Katsouleas in Nature, Bd. 431, Seiten 515-516; 30. September 2004. Außerdem drei Forschungsberichte in derselben Ausgabe.

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

Stanfords Plasma-Wakefield-Beschleuniger-Experiment: www.slac.stanford.edu/grp/arb/e164/index.html

ÜBER DEN AUTOR:
Chandrashekar Joshi Chandrashekhar Joshi ist Professor für Elektrotechnik an der University of California, Los Angeles (UCLA). Er leitet das High Frequency Electronics Center und die Neptune Facility for Advanced Accelerator Research an der UCLA. Als Autor der neuesten Methoden zur Beschleunigung von Elementarteilchen ist Joshi bekannt für seine Arbeiten zur nichtlinearen Plasmaoptik, der Wechselwirkung intensiver Laserstrahlung mit Materie und der Verwendung von Plasma bei der Kernfusion, Beschleunigern und Lichtquellen

Zwei Gruppen von Experimentatoren entwarfen sofort einen neuen zweistufigen Laser-Plasma-Beschleuniger. Durch einen einzelnen Laserpuls wird ein Elektronenbündel erzeugt und auf eine Energie von etwa 1 GeV beschleunigt, wobei die Länge des Tandems „Injektor plus Beschleuniger“ einen Zentimeter nicht überschreitet.

Die Größe moderner Teilchenbeschleuniger ist beeindruckend. Der Tunnel des Large Hadron Collider ist 27 Kilometer lang, und der derzeit in Entwicklung befindliche Linear Electron-Positron Collider der nächsten Generation wird etwa 50 Kilometer lang sein. Solch kolossale Größen für wissenschaftliche Instrumente sind keine Laune der Physiker; Sie entstehen aus dem einfachen Grund, dass moderne Technologien nicht in der Lage sind, Elementarteilchen schnell genug zu beschleunigen.

Im Allgemeinen werden Teilchen durch ein starkes elektrisches Feld beschleunigt, und je stärker das Feld, desto effektiver ist die Beschleunigung. Moderne Beschleuniger nutzen das elektrische Feld einer stehenden Radiowelle, das gepumpt und in speziellen supraleitenden Metallresonatoren enthalten ist. Diese Technik hat jedoch ihre eigenen technologischen Grenzen: Wenn die Radiowelle zu stark ist, fließt zu viel Strom entlang der Oberfläche des Resonators und das Material kann solchen Strömen einfach nicht standhalten. Daher liegt die Grenze elektrischer Felder in Resonatoren heute bei etwa 20 Megavolt pro Meter (MV/m) und es ist unwahrscheinlich, dass dieser Wert wesentlich überschritten werden kann. Das bedeutet, dass das Erreichen von 500 GeV (der geplanten Elektronenenergie für den künftigen Linearcollider) nur auf einer Länge von 25 km erreicht werden kann, was den Linearcollider nicht nur äußerst komplex, sondern auch sehr teuer macht.

Das Experiment zeigte, dass das elektrische Feld in einem solchen Plasmabeschleuniger tausendmal (!) höher sein kann, als es in Resonatoren erreichbar ist. Beispielsweise wurde im Jahr 2006 eine Elektronenbeschleunigung auf eine Energie von 1 GeV in einem Abschnitt von etwas mehr als 3 cm Länge erreicht, was einem Beschleunigungsfeld von 30 GV/m entspricht. Diese Erfolge eröffnen schwindelerregende Aussichten – schließlich passt mit Hilfe der Naderselbe 500-GeV-Elektron-Positron-Kollider scheinbar in hundert Meter. Allerdings ist nicht alles so einfach: Bevor solche Projekte Wirklichkeit werden, müssen einige Schwierigkeiten überwunden werden.

Erstens wurde diese Technik nur an Abschnitten mit einer Länge von Zentimetern getestet (allerdings gibt es jetzt Vorschläge, wie diese Schwierigkeit überwunden werden kann). Um wirklich hohe Energien zu erreichen, müssen die Teilchen daher durch viele aufeinanderfolgende „Beschleunigerstufen“ beschleunigt werden. Eine solche Kombination beschleunigender Zellen wurde jedoch noch nicht realisiert. Zweitens sollte der Beschleuniger die Menge der beschleunigten Teilchen weder im Raum noch in den Divergenzwinkeln noch in der Energie zu stark verteilen.

Im Juli im Magazin Briefe zur körperlichen Untersuchung Sofort erschienen zwei Artikel, in denen über die Überwindung dieser Schwierigkeiten berichtet wurde. Genauer gesagt konstruierten zwei Forschergruppen unabhängig voneinander einen zweistufigen rein optischen Laser-Plasma-Elektronenbeschleuniger. Das Versuchsschema ist in Abb. dargestellt. 1. Als Beispiel wird hier die Installation einer chinesischen Physikergruppe gezeigt; Der Versuchsaufbau im Artikel der amerikanischen Gruppe war sehr ähnlich.

Herzstück der Anlage sind zwei koaxial verbundene zylindrische Kammern mit Millimeterabmessungen. Die erste Kammer ist mit einer Mischung aus Helium und Sauerstoff gefüllt; der zweite - mit reinem Helium. Ein leistungsstarker ultrakurzer fokussierter Laserpuls durchläuft nacheinander beide Kammern, ionisiert das Gas und erzeugt zunächst in der ersten und dann in der zweiten Kammer eine Plasmablase. Das Arbeitsgas zur Plasmaerzeugung und Elektronenbeschleunigung ist Helium, in der ersten Kammer wird Sauerstoff benötigt Elektronenquelle. Nicht umsonst wird die Anlage als „volloptischer Beschleuniger“ bezeichnet: Es dringen keine externen Elektronen ein. In der ersten Kammer werden durch die Ionisierung von Sauerstoffatomen unter Einwirkung eines Laserblitzes Elektronen erzeugt, dort auch vorbeschleunigt, dann in die zweite Kammer injiziert, dort noch stärker beschleunigt (durch denselben Laserblitz) und dann komm raus.

So ist es den Physikern gelungen, auf einer Länge von weniger als einem Zentimeter einen ganzen Beschleunigerkomplex zu erschaffen: einen Injektor mit einem Vorbeschleuniger, einer Übertragungsleitung und dann dem Hauptbeschleuniger. Wir betonen, dass diese beiden Abschnitte des Beschleunigers nicht unabhängig voneinander arbeiten, sondern in einem einzigen Tandem: Ein einzelner ultrakurzer Laserpuls, der durch beide Kammern geht, erledigt die gesamte Arbeit in einem Durchgang: Er erzeugt die notwendigen Plasmablasen und erzeugt ein kompaktes Elektron Bündel, und beschleunigt es dann in zwei Kameras.

Experimente haben gezeigt, dass die Energie des Elektronenpakets am Ausgang sowohl von der Länge der Beschleunigungsstrecke als auch von der Blitzleistung abhängt. Die Abhängigkeit von der Laserleistung erwies sich als nicht ganz einfach: Die höchste Elektronenenergie am Ausgang (0,8 GeV) wurde bei maximaler Blitzleistung überhaupt nicht erreicht. Dies liegt daran, dass das Elektronenbündel nicht nur in die Plasmablase gelangen muss, sondern sich auch möglichst nahe an deren Rückwand befinden muss – dort ist das elektrische Feld am stärksten.

Ein weiterer Erfolg dieses zweistufigen Beschleunigungsschemas waren die bemerkenswerten Eigenschaften des Elektronenpakets am Ausgang. In Abb. Abbildung 2 zeigt die Verteilung der Elektronen nach Energie und Winkeldivergenz des Bündels; Das Bild oben entspricht nur einer Stufe (Injektor ohne Beschleuniger), das Bild unten entspricht einem vollständigen Tandem. In beiden Fällen wird die Elektronenenergie horizontal und die Winkelabweichung in Milliradiant vertikal angezeigt (ein Winkel von einem Grad entspricht etwa 17 mrad). Die Bilder oben und unten unterscheiden sich auffallend. Nach der Injektorstufe werden die Elektronen auf etwa 100 MeV beschleunigt, ihre Energie verteilt sich jedoch über einen weiten Bereich. Nach Durchlaufen der zweiten Beschleunigerstufe erreicht der Strahl jedoch nicht nur eine Energie von fast 0,5 GeV, sondern wird auch deutlich kompakter, sowohl in der Energie als auch in den Winkeln.

Die Autoren beider Arbeiten weisen darauf hin, dass das aktuelle Schema weiter optimiert werden kann und Energien von 10 GeV erreicht. Daher scheint die Gewinnung kompakter Multi-HeV-Elektronenpakete in einem rein optischen und praktisch Tischexperiment eine Frage der nahen Zukunft zu sein. Natürlich kann ein solcher Laserbeschleuniger hinsichtlich der Leuchtkraft (also der Strahlintensität) noch nicht mit aktuellen großen Kollidern mithalten. Ein solcher Strahl, der in einer sehr kompakten und relativ kostengünstigen Anlage hergestellt wird, hat jedoch viele andere Anwendungen, sowohl wissenschaftliche als auch angewandte. Erinnern wir uns daran, dass es derzeit etwa 20.000 Beschleuniger auf der Welt gibt, von denen sich nur etwa hundert mit der Erforschung der Physik der Mikrowelt befassen und der Rest für biomedizinische Zwecke, in der Materialwissenschaft, in Sicherheitssystemen usw. verwendet wird. Daher wird jeder neue Typ von kompakten Teilchenbeschleunigern sofort übernommen (siehe zum Beispiel die Nachricht „Der erste Einsatz von Laserbeschleunigern wird medizinisch sein“).

Quellen:
1) J. S. Liu et al, All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection // Physik. Rev. Lette. 107, 035001 (2011).
2) B. B. Pollock et al., Demonstration einer engen Energieverteilung, ~0,5 GeV Elektronenstrahl aus einem zweistufigen Laser-Wakefield-Beschleuniger // Physik. Rev. Lette. 107, 045001 (2011).

Mit dieser Methode wurden experimentell Elektronenstrahlen mit Energien über 8 GeV erzeugt.

Direkte Beschleunigung durch Laserfeld

Eine direkte Beschleunigung durch ein Laserfeld ist wirkungslos, da bei einem streng eindimensionalen Problem ein Elektron, das in das Feld eines Laserpulses eintritt, nach dem Verlassen desselben die gleiche Energie wie am Anfang hat, also ausgeführt werden muss Beschleunigung in stark fokussierten Feldern, in denen die Längskomponente des elektrischen Feldes von Bedeutung ist, aber in solchen Feldern die Phasengeschwindigkeit der Welle entlang der Ausbreitungsachse größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, sodass die Elektronen schnell hinter dem beschleunigenden Feld zurückbleiben. Um den letztgenannten Effekt zu kompensieren, wurde vorgeschlagen, eine Beschleunigung in einem Gas durchzuführen, bei dem die relative Dielektrizitätskonstante über eins liegt und die Phasengeschwindigkeit abnimmt. Eine wesentliche Einschränkung besteht in diesem Fall jedoch darin, dass das Gas bereits bei Strahlungsintensitäten in der Größenordnung von 10 14 W/cm² ionisiert wird und ein Plasma entsteht, was zu einer Defokussierung des Laserstrahls führt. Experimentell demonstrierte diese Methode die Modulation eines 3,7-MeV-Elektronenstrahls mit einer Energie von 40 MeV.

Beschleunigung in einer Plasmawelle

Wenn sich ein ausreichend intensiver Laserpuls in einem Gas ausbreitet, ionisiert er unter Bildung eines Ungleichgewichtsplasmas, in dem es aufgrund der gewichtigen Wirkung der Laserstrahlung möglich ist, die sogenannte Wake-Welle – eine Langmuir-Welle – anzuregen nach dem Puls. Diese Welle hat Phasen, in denen das elektrische Längsfeld die Elektronen beschleunigt, die sich mit der Welle bewegen. Da die Phasengeschwindigkeit der Longitudinalwelle gleich der Gruppengeschwindigkeit des Laserpulses im Plasma ist, die nur geringfügig unter der Lichtgeschwindigkeit liegt, können relativistische Elektronen recht lange in der Beschleunigungsphase verbleiben und dabei erhebliche Energie aufnehmen . Diese Methode zur Beschleunigung von Elektronen wurde erstmals 1979 vorgeschlagen.

Mit zunehmender Intensität des Laserpulses erhöht sich die Amplitude der angeregten Plasmawelle und damit auch die Beschleunigungsrate. Bei ausreichend hohen Intensitäten wird die Plasmawelle nichtlinear und kollabiert schließlich. In diesem Fall ist ein stark nichtlineares Regime der Laserpulsausbreitung im Plasma möglich – das sogenannte Blasen- (oder Blasen-) Regime, bei dem sich hinter dem Laserpuls ein blasenähnlicher Hohlraum bildet, der fast vollständig frei von Elektronen ist. Dieser Hohlraum enthält auch ein longitudinales elektrisches Feld, das Elektronen effektiv beschleunigen kann.

Experimentell wurde im linearen Wechselwirkungsmodus ein Elektronenstrahl erhalten, der auf einer 3 cm langen Strecke auf Energien in der Größenordnung von 1 GeV beschleunigt wurde, um die Beugungsdivergenz des Laserimpulses, in diesem Fall eines Wellenleiters, zu kompensieren Zusätzlich wurde eine dünne Kapillare verwendet. Durch die Steigerung der Leistung des Laserpulses auf das Petawatt-Niveau konnte die Elektronenenergie auf 2 GeV erhöht werden. Eine weitere Erhöhung der Elektronenenergie wurde durch die Trennung der Prozesse ihrer Injektion in die beschleunigende Plasmawelle und des Beschleunigungsprozesses selbst erreicht. Mit dieser Methode wurden 2011 Elektronen mit einer Energie von etwa 0,5 GeV gewonnen, 2013 wurde der Wert von 3 GeV überschritten und die Gesamtlänge des Beschleunigerkanals betrug nur 1,4 cm (4 mm - Injektionsstufe, 1 cm - Beschleunigungsstufe). Im Jahr 2014 wurden am Lawrence Berkeley National Laboratory die ersten experimentellen Ergebnisse zur Beschleunigung von Elektronen in einer 9 cm langen Kapillare mit dem BELLA-Laser erzielt. Diese Experimente zeigten eine Beschleunigung auf Energien über 4 GeV mit einem 0,3 PW-Laserpuls, ein neuer Rekord. Im Jahr 2019 wurde dort ein neuer Rekord aufgestellt: Mit einer Spitzenleistung des Laserpulses von 0,85 PW wurden in einer 20 cm langen Kapillare Elektronen mit einer Energie von etwa 7,8 GeV gewonnen.

Im nichtlinearen Wechselwirkungsmodus wurde auf einer 1,3 cm langen Strecke eine maximale Energie von 1,45 GeV erreicht. Im Experiment wurde ein Laserpuls mit einer Leistung von 110 TW verwendet.

siehe auch

Anmerkungen

1. R. Joel England et al. Dielektrische Laserbeschleuniger (Englisch) // Rev. Mod. Physik. . - 2014. - Bd. 86. - S. 1337. - DOI:10.1103/RevModPhys.86.1337.
2. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall. Laserbeschleunigung von Elektronen im Vakuum (Englisch) // Phys. Rev. E. – 1995. – Bd. 52. - S. 5443.
3. T. Tajima, J. M. Dawson. Laser Electron Accelerator (Englisch) // Phys. Rev. Lette. . - 1979. - Bd. 43. - S. 267.
4. W. P. Leemans et al. GeV-Elektronenstrahlen aus einem zentimetergroßen Beschleuniger (Englisch) // Nature Physics. - 2006. - Bd. 2. - S. 696-699.
5. Xiaoming Wang et al. Quasi-monoenergetische Laser-Plasma-Beschleunigung von Elektronen auf 2 GeV (Englisch) // Nature Communications. - 2013. - Bd. 4 . - S. 1988.
6. B. B. Pollock et al. Demonstration einer engen Energieverteilung, ∼0,5 GeV Elektronenstrahl aus einem zweistufigen Laser-Wakefield-Beschleuniger (Englisch) // Phys. Rev. Lette. . - 2011. - Bd. 107. - S. 045001.
7. Hyung Taek Kim et al. Verbesserung der Elektronenenergie auf den Multi-GeV-Bereich durch einen zweistufigen Laser-Wakefield-Beschleuniger, der mit Petawatt-Laserimpulsen gepumpt wird // Phys. Rev. Lette. . - 2013. - Bd. 111. - S. 165002. - DOI:10.1103/PhysRevLett.111.165002. - arXiv:1307.4159.
8. W. P. Leemans et al. Multi-GeV-Elektronenstrahlen aus durch Kapillarentladung geführten Subpetawatt-Laserimpulsen im Selbsteinfangregime // Phys. Rev. Lette. . - 2014. - Bd. 113. - S. 245002. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.245002.
9. A. J. Gonsalves et al. Petawatt-Laserführung und Elektronenstrahlbeschleunigung auf 8 GeV in einem laserbeheizten Kapillarentladungswellenleiter // Phys. Rev. Lette. . - 2019. - Bd. 122. - S. 084801. - DOI:10.1103/PhysRevLett.122.084801.
10. C. E. Clayton et al. Selbstgesteuerte Laser-Wakefield-Beschleunigung über 1 GeV mittels ionisationsinduzierter Injektion // Phys. Rev. Lette. . - 2010. - Bd. 105. - S. 105003.

Literatur

Wissenschaftlich

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

Hallo, mein Name ist Alexander und ich bin Physiker. Von außen mag das wie ein Satz klingen, ist es aber tatsächlich. Es stellt sich heraus, dass ich mich mit Grundlagenforschung in der Physik beschäftige, nämlich mit der Untersuchung beschleunigter geladener Teilchen: Protonen und all diese größeren Teilchen – also positive Ionen. In meiner Forschung verwende ich keine großen Beschleuniger wie den LHC, sondern schieße einen Laser auf die Folie, und aus der Folie kommt ein Protonenimpuls.

Nun ein paar Worte zu mir. Ich habe meinen Abschluss an der Fakultät für Photonik und optische Informatik am ITMO in St. Petersburg gemacht, dann ein Masterstudium an der Aalto-Universität (in Finnland) in Mikro- und Nanotechnologie absolviert und dann all diese kleinen Dinge, Mikroskope und insbesondere, aufgegeben der Reinraum. Und ich bin mit großen Lasern in die Grundlagenforschung eingestiegen. Jetzt arbeite ich in der Graduiertenschule im Südwesten Schwedens in der Stadt Lund an der gleichnamigen Universität. Es geht um einen Kanonenschuss aus Kopenhagen.

Sobald ich es beschleunigte, flog es

Beschleuniger für geladene Teilchen an sich sind keine neue Idee, aber die Methode, mit der ich sie beschleunige, ist relativ neu, ungefähr so ​​alt wie ich. Dadurch können Sie die Größe des Beschleunigers und seine Kosten, einschließlich der Betriebs- und Wartungskosten, erheblich reduzieren. Der Unterschied zwischen den beiden Typen ist im Bild unten zu erkennen.


Links ein elektrostatischer Linearbeschleuniger (leicht zerlegt); Rechts ist mein kleiner, aber stolzer Hersteller von Löchern in Folie

Vergleichen wir diese beiden Beispiele düsterer körperlicher Genialität genauer. Schauen Sie sich das linke und das rechte Gaspedal an, dann noch einmal das linke und noch einmal das rechte: Ja, meiner sitzt auf einem Pferd (Witz – Anmerkung des Autors). Tatsächlich hat meins nur einen Durchmesser von einem Meter, und die Protonen selbst werden von einem Stück Folie aus beschleunigt. Seine Halterung befindet sich genau in der Mitte des Kreises und ist mit einem schönen Kupferrock versehen. Dieses ist wesentlich einfacher und kompakter als das linke Beispiel, das die Größe eines Busses hat und zudem mit erstickendem Gas gefüllt ist. Wenn Sie sich also ausreichend durchgesetzt haben (in der Physik gilt oft: Je weniger, desto besser), können Sie sich der Physik des Beschleunigungsprozesses zuwenden.

Da wir geladene Teilchen beschleunigen, ist es am logischsten, dies mit einem elektrischen Feld zu tun. Wir werden das Feld durch Spannung charakterisieren. Für diejenigen, die nach der Schule ins Front- und Back-End gegangen sind, möchte ich Sie daran erinnern: Die elektrische Feldstärke ist eine vektorielle physikalische Größe, die das elektrische Feld an einem bestimmten Punkt charakterisiert und numerisch gleich dem Verhältnis der Kraft ist, die auf eine stationäre Punktladung an einem bestimmten Punkt im Feld wirkt, zur Größe dieser Ladung(schmutziges Kopieren und Einfügen aus Wikipedia). Hat die Dimension V/m. Zurück zum Vergleich: Der Beschleuniger auf der linken Seite beschleunigt Protonen auf 4 MeV (Megaelektronenvolt), also 2,77 * 10 7 m/s oder 9,2 % der Lichtgeschwindigkeit. Da die Protonenladung 1 beträgt und die Länge des Beschleunigers zwei Meter beträgt, beträgt die Feldstärke 2 MV/m. Hier gingen wir davon aus, dass das Feld an allen Orten in eine Richtung gerichtet ist und waren im Allgemeinen der Wahrheit sehr nahe. Der schicke Beschleuniger hat eine Feldstärke in der Größenordnung von mehreren TV/m, also etwa einer Million Mal mehr. Dennoch ist zu beachten, dass seine Länge nur wenige Mikrometer beträgt.

Wir haben also inzwischen herausgefunden, wessen Feld steiler ist. Es ist an der Zeit, sich den physikalischen und technischen Mechanismen zuzuwenden, die dieses Feld erschaffen. Bei einem herkömmlichen Beschleuniger gibt es zwei Metallbleche, von denen eines negativ geladen ist und das zweite nicht geladen ist. Erinnern Sie sich an das Schulexperiment, bei dem es darum ging, einen Ebonitstab mit einem Stück Wolle zu reiben. Hier ist das Prinzip absolut gleich, die Ausführung ist jedoch deutlich komplizierter. Wenn man Protonen aus einer Folie beschleunigt, dann wird das Feld durch Elektronen erzeugt, Elektronen fliegen aus dem heißen Plasma, das Plasma wird durch einen Laser erzeugt und erhitzt, und um all das dreht sich der Rest des Beitrags.

Soll ich ihn schlagen und er wird lila gesprenkelt?

Wenn man hart genug zuschlägt, kann man viele wunderbare physikalische Phänomene beobachten. Auf diese Weise bekamen die Harvard-Leute metallischen Wasserstoff und verloren ihn dann.

In meinem Fall beschieße ich die Folie mit einem Laser. Ich werde es detaillierter beschreiben, nachdem ich die nicht triviale Physik der Prozesse zur Gewinnung warmer dichter Materie erklärt habe, was der wissenschaftliche Name für Plasma ist, das für den Triumph der Beschleunigung meiner Protonen verantwortlich ist. Lassen Sie uns nun der Reihe nach über alles sprechen.

Der Laser erzeugt Impulse mit einer Wellenlänge von 800 nm und 35 fs mit einer Dauer von (10 -15 s), d. h. die tatsächliche Impulslänge im Vakuum beträgt etwa 10 Mikrometer. Dieser Impuls enthält etwa 2 J Energie, was viel ist. Wenn Sie diesen Impuls auf die Folie auf einen sauberen runden Punkt mit einem Durchmesser von 5 Mikrometern fokussieren, beträgt die Intensität etwa 10 20 W/cm 2. Das ist schon eine unanständige Menge. Nochmals ein kleiner Vergleich: Stahl kann mit einer Intensität von etwa 10 8 W/cm 2 sicher geschnitten werden.

Tatsächlich hat der Laserpuls aufgrund der Konstruktion des Verstärkers einen vorgeschalteten Sockel mit einer Dauer von etwa 500 ps, ​​und genau dieser Sockel trägt wesentlich dazu bei, Protonen gut zu beschleunigen.

Ionisiert bedeutet bewaffnet

Erinnern wir uns daran, was mit Licht passiert, wenn es in Materie eintritt. Energie muss erhalten bleiben, was bedeutet, dass es nur drei mögliche Ereignisse gibt: Reflexion, Übertragung und Absorption. In einem harten Leben sind alle oben genannten Faktoren gleichzeitig vorhanden. Wir sind bereits in einem sehr frühen Stadium an Akquisitionen interessiert.

Wir haben also einen Sockel, den wir ebenfalls perfekt auf ein Stück Folie richten und dort perfekt aufnehmen. Um nicht auf die Komplexität der Festkörperphysik einzugehen, betrachten wir die Absorption eines freistehenden Atoms. Aus der Quantenmechanik wissen wir, dass nur ein Photon absorbiert werden kann, dessen Energie genau der Energie beim Übergang eines Elektrons von einem Zustand in einen anderen entspricht. Wenn die Photonenenergie größer ist als die Ionisierungsenergie (also das Senden eines Elektrons aus dem Elternnest auf eine freie Reise), dann wird der Überschuss in die kinetische Energie des Elektrons umgewandelt, alles ist einfach. In unserem Fall haben Photonen mit einer Wellenlänge von 800 nm nicht genug Energie (das ist die Energie eines Photons, nicht des gesamten Impulses!), um das Ziel zu ionisieren, aber hier kommt uns die Physik zu Hilfe. Erinnern Sie sich, dass ich die hohe Strahlungsintensität erwähnt habe? Wenn wir uns außerdem daran erinnern, dass Licht als Photonenstrom dargestellt werden kann und die Intensität direkt proportional dazu ist, stellt sich heraus, dass der Photonenstrom sehr groß ist. Und wenn der Fluss so groß ist, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass mehrere Photonen gleichzeitig an einem Ort ankommen, und wenn ihre Energien absorbiert werden, summieren sie sich und es kommt immer noch zu einer Ionisierung. Seltsamerweise wird dieses Phänomen Multiphotonen-Ionisation genannt und wir nutzen es regelmäßig.

Im Moment haben wir festgestellt, dass die Elektronen erfolgreich abgerissen wurden, was bedeutet, dass der Hauptimpuls das fertige Plasma erreicht und beginnt, es aufzuheizen.

Grundlagen der Plasmaphysik (hab mir keinen Witz ausgedacht, ah)

Vor dem Erhitzen lohnt es sich, ein wenig über den Aggregatzustand des Plasmas zu sprechen. Plasma ist wie ein Gas, nur die Elektronen sind getrennt und die Kerne sind getrennt. Wir betrachten unser Plasma als ein nahezu ideales Gas, das jedoch aus Elektronen besteht.

Unser Hauptmerkmal des Plasmas wird seine Dichte (die Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit), die wir weiter als $n_e$ bezeichnen werden (nicht zu verwechseln mit dem Brechungsindex!), und die Temperatur dieser Elektronen sein , ihre durchschnittliche Bewegungsgeschwindigkeit. Dies wird durch die Boltzmann-Verteilung auf die gleiche Weise beschrieben wie im Schulphysikkurs:

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

woraus es leicht folgt

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

Dabei ist $inline$k_B$inline$ die Boltzmann-Konstante, $inline$T_e$inline$ die Elektronentemperatur und $inline$m_e$inline$ die Elektronenmasse. Ja, hier haben wir einen eindimensionalen Fall betrachtet, aber mehr brauchen wir eigentlich nicht, um unsere Prozesse zu beschreiben.

Nun werden wir an das bereits beschriebene Plasma ein elektrisches Feld anlegen. Ich möchte Sie daran erinnern, dass Plasma aus geladenen Teilchen besteht, was bedeutet, dass bei einer bestimmten Dichte in einiger Entfernung von der Stelle, an der wir das Feld angelegt haben, Elektronen die Quelle (so eine Menge kleiner Matrosovs – Anmerkung des Autors) verdecken (abschirmen). Der hierfür erforderliche Abstand wird Debye-Länge genannt und ergibt sich aus der Gleichung

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

Hier ist $inline$q_e$inline$ offensichtlich die Ladung des Elektrons und $inline$\epsilon_0$inline$ ist die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, eine solche Grundkonstante. Lassen Sie uns diese Formel ein wenig analysieren, um die einfache Physik des Prozesses dahinter zu verstehen. Durch die Erhöhung der Elektronendichte verringern wir den durchschnittlichen Abstand zwischen ihnen. Dadurch sammeln wir über eine kürzere Distanz genügend Elektronen, um unser Feld vollständig abzuschirmen. Andererseits ist der durchschnittliche Abstand zwischen den Elektronen umso größer, je höher die Temperatur ist.

Aufgrund des Abschirmeffekts und einer ganz bestimmten (temperaturabhängigen) Durchschnittsgeschwindigkeit der Elektronenbewegung reagiert das Plasma nicht sofort auf ein plötzlich eintreffendes Feld. Es ist logisch anzunehmen, dass die Reaktionszeit mit der Debye-Länge und der Geschwindigkeit der Elektronenbewegung zusammenhängt. Eine gute Analogie ist das Werfen eines Steins in einen See. Im Vergleich zum gesamten See wirkt der Stein punktuell auf die Wasseroberfläche ein. Ein Teil des Wassers verändert sich sofort (hier spritzt es), und dann beginnen sich die Wellen über die Wasseroberfläche auszubreiten. Im Fall von Plasma ist das plötzlich auftretende elektrische Feld das Gestein. Die Größe des Spritzers wird durch die Länge der Abschirmung bestimmt (das Feld wirkt nicht darüber hinaus) und die Ausbreitung der Wellen hängt davon ab, wie nahe die Elektronen beieinander sind. Wir können eine solche Eigenschaft wie die Plasma-Reaktionszeit einführen:

$inline$ t_D = \lambda_D / v $inline$ . Im Großen und Ganzen zeigt es uns die Zeit, in der Informationen über eine Änderung des angelegten Feldes jene Elektronen erreichen, die dieses Feld sozusagen nicht gesehen haben.

Da wir Physiker sind, mögen wir die Zeit nicht wirklich. Es ist viel bequemer, mit Frequenzen zu arbeiten, daher stellen wir das Konzept der Eigenfrequenz des Plasmas vor. Dieser Wert zeigt uns, wie oft wir das Feld ändern können, damit die gesamte Elektronenansammlung, die wir stolz Plasma nennen, Zeit hat, auf diese Veränderungen zu reagieren. Was könnte einfacher sein? Teilen wir eins durch die Reaktionszeit und hier ist sie - Frequenz:

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

Es ist leicht zu erkennen, dass die Eigenfrequenz der Plasmaschwingungen von der Elektronendichte abhängt. Je mehr Elektronen, desto höher die Frequenz. Wir können eine weitere Analogie ziehen, dieses Mal jedoch mit einem Federpendel. Eine höhere Elektronendichte sagt uns, dass sie näher beieinander sind und daher stärker interagieren. Nehmen wir an, dass ihre Wechselwirkung direkt proportional zur Elastizität der Pendelfeder ist. Und je größer die Elastizität, desto höher die Schwingungsfrequenz.

Die Eigenfrequenz eines Plasmas bestimmt auch seinen Brechungsindex. Wenn wir ehrlich die Wellengleichung für die kollektive Bewegung von Elektronen in einem Plasma schreiben und dann kleine Änderungen in der Elektronendichte annehmen (wir werden das hier nicht tun, weil es langweilig ist), dann wird der Brechungsindex wie folgt festgelegt:

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

Dabei ist $inline$\omega_0$inline$ die Kreisfrequenz des angelegten elektrischen Feldes. Die Angabe erfolgt in rad/s und nicht in Hz!

Schauen wir uns diesen Ausdruck genauer an. Als Experimentalphysiker mag ich keine reellen Zahlen, aber ich versuche, komplexe Zahlen zu ignorieren, insbesondere den komplexen Brechungsindex. Nun, wie kann sich Licht schließlich durch Materie ausbreiten? ich mal langsamer als im Vakuum? Das ist eine Art Unsinn! Eigentlich nein, aber dazu ein anderes Mal mehr. Wenn $inline$\omega_0 > \omega_p$inline$ , dann ist der Ausdruck gültig und das elektrische Wechselfeld breitet sich in unserem Plasma aus. Jeder ist glücklich, und wir werden ein solches Plasma als nicht ausreichend dicht bezeichnen. Wenn jedoch $inline$\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.

Und als Nachtisch $inline$\omega_0 = \omega_p$inline$ . Dies ist Plasma kritischer Dichte. In diesem Fall beginnt es mit dem (von uns gelieferten) antreibenden elektrischen Wechselfeld in Resonanz zu treten. Für einen solchen Sonderfall können Sie sogar das Konzept der kritischen Dichte einführen und es wie folgt definieren:

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

Natürlich ist die kritische Dichte für jede Frequenz des Antriebsfeldes unterschiedlich.

SCHOCK! Plasmaheizung! Dazu benötigen Sie lediglich...

In unserem Fall konzentrieren wir uns nur auf einen Heizmechanismus, der im Experiment vorherrscht.

Lassen Sie das Plasma, das wir als Sockel gebildet haben, zunächst einen gleichmäßigen Dichtegradienten haben. In diesem Fall handelt es sich um eine Erwärmung durch Resonanzabsorption. Eine Veranschaulichung hierfür finden Sie im Bild unten.

Darstellung des resonanten Absorptionsprozesses: a) Elektronendichteverteilung nahe der Vorderseite des Targets; b) Brechung eines Laserstrahls in einem Plasma mit Dichtegradient; c) elektrisches Feld im Plasma

Der Laser scheint also in einem Winkel von vielleicht 45 Grad auf unser Plasma und ist gleichzeitig in der Einfallsebene polarisiert. Die Polarisation wird in der Abbildung durch rote Pfeile angezeigt. Unser Plasma weist einen Dichtegradienten auf, was bedeutet, dass sich sein Brechungsindex kontinuierlich ändert (hier wächst). Irgendwann wird es passieren, dass eine bestimmte Plasmaschicht für unseren Laser „rotierend“ wird und reflektiert wird, sich also für einige Zeit parallel zur kritischen Schicht ausbreitet. Es ist wichtig zu beachten, dass es sich dreht, bevor es die Schicht mit der kritischen Dichte erreicht, da wir es in einem Winkel zur Normalen gestartet haben. Die Plasmadichte, bei der sich der Laserstrahl dreht, ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

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

Dabei ist $inline$n_c$inline$ die kritische Dichte und $inline$\alpha$inline$ der Einfallswinkel des Lichts.

Jetzt beginnt der Spaß. Denken wir daran, dass Licht nicht nur ein Strom von Photonen ist, sondern auch eine elektromagnetische Welle, das heißt, unser Impuls hat ein elektrisches Feld, das harmonisch mit großer Amplitude schwingt. Wenn sich Licht parallel zur kritischen Schicht ausbreitet, entsteht eine stehende Welle, die sich im Laufe der Zeit nicht ändert (natürlich solange der Laserpuls vorhanden ist). Das Feld dieser Welle dringt tatsächlich weiter ein als die Plasmaschicht, wo das Licht sich drehte und die kritische Schicht erreichte. Ich möchte Sie daran erinnern, dass die Frequenz der Plasmaschwingungen in der kritischen Schicht mit der Frequenz der Laserstrahlung übereinstimmt, was bedeutet, dass Resonanz auftritt. Wenn der Laser aufhört zu strahlen, wird die von ihm auf die Elektronen in der kritischen Schicht übertragene Energie durch Stöße auf die verbleibenden Elektronen verteilt, was bedeutet, dass sich das Plasma erwärmt hat.

Wo genau ist also die Beschleunigung?

Nachdem wir nun die Elektronen im Plasma gründlich erhitzt haben und der Laser nicht mehr leuchtet, können wir Ihnen sagen, wie Protonen beschleunigt werden. Schauen Sie sich dazu die Bilder unten an. Bis zu diesem Moment habe ich nie gesagt, woher Protonen überhaupt kommen. Sie treten naturgemäß nicht aus den Kernen des Folienmaterials hervor. Da wir nicht sehr vorsichtig sind und keine Handschuhe tragen (unsere Hände schwitzen darin stark), gelangen Wasser und Kohlenwasserstoffe auf die Oberfläche der Folie. Ionisierter Wasserstoff ist unsere unschätzbar wertvolle Protonenquelle. Es ist nachgewiesen: Wenn man die Verunreinigungen entfernt, entstehen keine Protonen.

	Plasmabildung durch den Sockel, also Ionisierung der Vorderseite des Targets. Als Target wird meist eine Folie mit einer Dicke von 0,4 – 12 µm verwendet.
	Dabei interagiert der Hauptteil des Pulses mit dem erzeugten Plasma und erhitzt dieses. Manche Elektronen werden so stark erhitzt, dass sie von der Rückseite des Targets herausfliegen.
	Wenn genügend Elektronen herausgeflogen sind, werden sie durch die verbleibende positive Ladung in der Folie zurückgezogen. Im Plasma erhitzen sie sich wieder und fliegen heraus. Für einige Zeit stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein. Das elektrische Feld ist senkrecht zum Ziel gerichtet
	Dasselbe elektrische Feld hebt Protonen und andere Ionen (je nachdem, was sich überhaupt dort befand) von der Rückseite des Ziels und beschleunigt sie dann. Wenn die Ionen beschleunigen, ist die Elektronenwolke bereits kollabiert und alle Teilchen beginnen gemeinsam weiter zu fliegen. Und dann beginnen wir zu glauben, dass sie nicht mehr interagieren.

Teile und herrsche

Im Moment ist die Situation so: Der Laser hat schon lange nicht mehr geleuchtet, in der Folie ist ein Loch, Protonen und Elektronen fliegen gemeinsam vom Ziel normal zu seiner Rückseite. Wir brauchen überhaupt keine Elektronen, deshalb kommt uns hier ein Magnet zu Hilfe. Wenn ein Strahl geladener Teilchen durch ein Magnetfeld fliegt, lenken Lorentzkräfte jedes Teilchen proportional zu seiner Geschwindigkeit und Ladung ab. Dementsprechend weichen Protonen und Elektronen in unterschiedliche Richtungen ab und wir schauen einfach nicht in die Richtung der Elektronen. Übrigens gilt: Je größer die Energie des Protons (also seine Geschwindigkeit), desto geringer ist die Abweichung. Das bedeutet, dass wir durch die Installation eines protonenempfindlichen Bildschirms die Energien beschleunigter Protonen sehen können. Noch ein paar Zahlenvergleiche: Ein Magnet, den wir haben, ist permanent und erzeugt ein Feld von etwa 0,75 Tesla; In MRT-Geräten beträgt das Magnetfeld 1,5 – 3 Tesla.

Darüber hinaus können wir das Profil eines Strahls fliegender Protonen betrachten. Es ist übrigens rund. Und wenn wir auch die Energie der Protonen in jedem Teil des Strahls messen können, können wir die Form der Elektronenwolke, die unsere Protonen beschleunigt hat, eindeutig wiederherstellen.

Statt einer Schlussfolgerung

Es kann sich die berechtigte Frage stellen, warum all dies notwendig ist. Meine Lieblingsantwort ist einfach so. Dies ist eine grundlegende Wissenschaft, und der Versuch, unmittelbare Anwendungen dafür zu finden, ist sinnlos. Vielleicht wird es in ein paar Jahren Anwendung bei der Behandlung von Krebs oder der Kernfusion finden, aber im Moment besteht die Hauptaufgabe darin, etwas Neues über die Welt um uns herum zu lernen, einfach weil es interessant ist.

Für diejenigen, die besonders neugierig auf den Laser selbst und seine Struktur sind

Wie versprochen werde ich hier über den Laser sprechen, mit dem ich Wissenschaft betreibe. Einige Eigenschaften unseres Lasers habe ich bereits erwähnt, über die Pulswiederholrate habe ich jedoch nicht gesprochen. Sie beträgt etwa 80 MHz. Diese Frequenz wird nur durch die Länge des Resonators bestimmt und ist der Kehrwert der Zeit, die das Licht benötigt, um durch den Resonator hin und her zu wandern. Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass es unpraktisch ist, Impulse mit einer solchen Frequenz zu verstärken, dass es aus technischer Sicht unglaublich schwierig ist und man nicht genug Strom haben wird.

Ich werde nicht näher auf die Lasertheorie eingehen. Die Grundlagen, woher Laserstrahlung kommt, werden im Wikipedia-Artikel über stimulierte Emission perfekt beschrieben. Kurz gesagt, Laserstrahlung erfordert drei Komponenten: ein aktives Medium (von dem Photonen emittiert werden), eine Pumpe (sie hält das aktive Medium in einem Zustand, in dem mehr angeregte Atome emittieren können) und einen Resonator (es). sorgt dafür, dass sich Photonen bei wiederholten Passagen durch das aktive Medium gegenseitig kopieren. Wenn Sie alle Komponenten zusammenfügen und beten, beginnt der Laser zu leuchten, aber kontinuierlich. Wenn Sie etwas mehr versuchen, können Sie Impulse erzeugen, auch so kurze wie bei meiner Installation. Für die Neugierigeren: Die Methode zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen wird als passive Modenkopplung bezeichnet. Und nun ein kleines Feature mit sehr kurzen Impulsen. Es wird oft angenommen, dass ein Laser mit einer einzigen Wellenlänge strahlt, und im kontinuierlichen Modus sowie bei langen Pulsen kann dies sogar als wahr bezeichnet werden. Tatsächlich hängen die zeitliche Form des Impulses und sein Spektrum aufgrund einer Reihe komplexer physikalischer Prozesse, die wir hier sicherlich nicht diskutieren werden, durch die Fourier-Transformation zusammen. Das heißt, je kürzer der Puls, desto breiter sein Spektrum.

Nehmen wir an, wir haben einen Master-Oszillator gestartet, aber die Energie seiner Impulse beträgt mehrere nJ. Erinnern Sie sich, dass ich am Anfang gesagt habe, dass die Energie des Impulses, der das Ziel erreicht, etwa 2 J beträgt? Das ist also eine Milliarde Mal mehr. Das bedeutet, dass der Impuls gestärkt werden muss, worüber wir noch ausführlicher sprechen werden.

Kurze Impulse zeichnen sich im Allgemeinen durch sehr große Spitzenleistungen aus (denken Sie daran, Energie durch Zeit zu dividieren?), was eine Reihe von Komplikationen mit sich bringt. Wenn man Strahlung mit hoher Intensität (Leistung pro Flächeneinheit) in das Medium einstrahlt, brennt es, aber wenn das aktive Medium verbrannt ist, wird nichts verstärkt. Deshalb wählen wir eine Wiederholungsrate von 10 Hz und verstärken diese nur. Da es viele Geräte gibt und alles mit genau dieser Frequenz arbeitet, haben wir eine spezielle Box, die diese 10 Hz an die gesamte Hardware verteilt, und Sie können für jedes Gerät die Verzögerung beim Empfang des Signals mit einer Genauigkeit von mehreren Pikosekunden auswählen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, mit hoher Intensität umzugehen. Wie Sie anhand der Definition leicht erraten können, müssen Sie entweder die Fläche vergrößern oder die Leistung verringern. Bei der ersten ist alles ganz klar, aber die zweite Methode war ein Durchbruch in der Lasertechnologie im 20. Jahrhundert. Ist der Impuls zunächst sehr kurz, kann er gedehnt, verstärkt und dann wieder gestaucht werden.

Um zu verstehen, wie das geht, werfen wir einen Blick auf die Grundlagen der Optik. Für unterschiedliche Wellenlängen sind die Brechungsindizes im Medium unterschiedlich, was (übrigens nach der Definition des Brechungsindex) bedeutet, dass mit zunehmendem Brechungsindex die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium abnimmt. Und so schickten wir unseren Impuls in die Umgebung, und sein roter Teil durchdrang das Material schneller als der blaue, das heißt, der Impuls wurde länger und seine Spitzenleistung nahm ab. Hurra, jetzt brennt nichts mehr! Für tiefergehende Kenntnisse in diesem Bereich empfehle ich, zu googeln und etwas über Chirped Pulse Amplification (auch bekannt als Chirped Pulse Amplification oder CPA) zu lesen.

Alles, was wir tun müssen, ist, den Impuls zu verstärken, ihn zu komprimieren, zu fokussieren und zu senden, um ein Loch in die Folie zu bohren!

Und nun einige Bilder mit Bildunterschriften.

Eigentlich ein Foto vom Labor. Das zylindrische Ding in der Mitte ist eine Vakuumkammer, denn Protonen fliegen sehr schlecht in der Luft und stoßen ständig an Luftmoleküle. Nun, im Allgemeinen sieht mit einem Vakuum alles cooler aus. Das blaue Ding rechts ist eine Bleiwand, um nicht versehentlich Superkräfte und Strahlenkrankheit zu bekommen. Der Laser selbst befindet sich hinter der Tür links mit dem gelben Achtung-Schild

Und hier ist die Wand selbst im Profil. Ja, es ist innen mit Blei gefüllt, wie Winnie Puuh.

Unser Kommandoposten befindet sich hinter der Mauer; wenn wir schießen, sollen wir aus Sicherheitsgründen dahinter sitzen. Natürlich sterben wir nicht an der Strahlung, aber wir können leicht erblinden. Es gibt fünf Monitore für zwei Computer, bei all dem Kram kann man leicht verwirrt werden. Einer der Computer verfügt über Lautsprecher, so dass man aus unerklärlichen Gründen bei der Arbeit im Kerker Loboda und den großen russischen Boss hören kann; meine Kollegen mögen sie auch. Übrigens sind nur die Hälfte davon Schweden.

Wir haben noch eine Bleischiebetür. Der Antrieb erfolgt hydraulisch.

Hier sind wir im Raum mit dem Laser. Dies ist ein Foto des ersten Tisches, auf dem der Laserimpuls erzeugt wird. Hier wird es vorverstärkt (ca. 1000-fach) und gestreckt. Auf dem Regal darüber befindet sich eine Menge sehr wichtiger und notwendiger Elektronik, ohne die der Laser nicht funktioniert.

Dies ist die zweite Tabelle, in der die Strahlung nach der ersten verstärkt wird. Dieser Verstärker ist unser Hauptarbeitstier – er erhöht die Energie um das Vierzigtausendfache. Tatsächlich enthält es zwei Verstärker unterschiedlicher Bauart: Multipass und regenerativ. Im ersten Fall durchläuft der Impuls einfach mehrmals das aktive Medium. Der zweite verfügt über einen eigenen Resonator. Mithilfe elektrooptischer Gatter (Pockels-Zellen) wird ein Impuls ins Innere eingeleitet, der dort mehrere Male durchläuft, bis die Verstärkung gesättigt ist, und dann weiter abgegeben wird. Hier kommt es besonders auf die Geschwindigkeit und Genauigkeit beim Öffnen und Schließen der Rollläden an.

Dies ist die dritte Tabelle, es gibt einen Gewinn von etwa dem 15-fachen. Der Turm in der Mitte, der über den Deckel hinausragt, ist ein Kryostat. Darin befindet sich ein kräftiger Kristall im Vakuum, der mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von -190 Grad Celsius gekühlt wird.

Dies ist ein separater Raum, in dem sich die Stromversorgungen für die dritte Tischpumpe und die Hauptvakuumpumpen befinden. Der Wirkungsgrad am Ausgang des Systems liegt mittelmäßig bei etwa 0,1 %. Ich habe irgendwie berechnet, dass die verbrauchte elektrische Leistung etwa 160 kW betrug. Das sind ungefähr 960 Grafikkarten, die mit Strom versorgt werden können und meins, meins, meins. So viel Strom wird bei der Verstärkung mit einer Wiederholfrequenz von 10 Hz verbraucht. Wenn wir versuchen würden, 80 MHz zu erhöhen, würde der Verbrauch um das 8-Millionen-fache steigen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!