Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas Valery Bychenkov, Pesquisador Chefe do Instituto de Física em homenagem. P. N. Lebedev Academia Russa de Ciências.

Talvez seja um raro campo do conhecimento que pode ostentar um desenvolvimento tão rápido como a ciência e a tecnologia do laser. Quem poderia imaginar que o primeiro gerador quântico óptico, criado há apenas cinquenta anos, levaria a uma reação em cadeia de ideias para o uso generalizado dos lasers e os tornaria uma ferramenta indispensável nas diversas atividades humanas. No entanto, o processo de desenvolvimento da tecnologia laser ainda está muito longe de ser concluído e pode-se esperar que nos próximos anos leve ao surgimento de novos sistemas laser para aplicações práticas interdisciplinares únicas. Tais expectativas estão associadas à criação e utilização de lasers ultracurtos nos principais centros de laser do mundo, não ultrapassando 1 picossegundo (ps) = 10–12 s e atingindo até 10 femtossegundos (fs) = 10–14 s. Novas ideias para o uso de pulsos de laser ultracurtos e de alta intensidade antecipam as previsões mais loucas da ficção científica. A discussão deles poderia ocupar um livro inteiro, mas por enquanto me limitarei a um conto sobre apenas um deles.

Ciência e vida // Ilustrações

Instalação laser "Hercules" do Center for Ultrafast Optical Phenomena da Universidade de Michigan (EUA). A foto foi cedida por Anatoly Maksimchuk, pesquisador do Centro.

Acelerador linear do Stanford National Accelerator Laboratory (EUA). Foto de Peter Kaminski.

Enrico Fermi com desenho de um ciclotron com diâmetro de mais de 12,5 mil quilômetros - um fermitron.

Esquema de aceleração de elétrons durante a autofocagem de um pulso de laser em um plasma. Com comprimento de 1 centímetro, eles ganham energia de até 800 MeV.

A bolha formada pelo laser acelera os elétrons lançados (injetados) no plasma. O campo de aceleração está concentrado próximo ao seu limite traseiro.

Esquema de aceleração de prótons da superfície posterior da folha. Eles voam para fora dos átomos de hidrogênio da água, cobrindo a folha com uma película fina.

Aceleração de prótons de folhas ultrafinas no modo de explosão dirigida de Coulomb.

Então, o que há de tão atraente nos lasers de duração ultracurta? Em primeiro lugar, justamente pela sua duração extremamente curta, que permite atingir uma potência recorde com uma energia laser razoável. Assim, para uma energia laser relativamente baixa de 30 J, a potência correspondente a uma duração de pulso de laser de 30 fs é de 1 petawatt (PW) = 10 15 W, ou seja, excede a potência total de todas as usinas do mundo! Além disso, a radiação laser permite a concentração de energia em um volume do tamanho de um mícron e, assim, registrar a densidade de energia. Os métodos modernos de focalização da radiação laser permitem reduzir os feixes de laser a um ponto com tamanho próximo ao limite de difração, da ordem de 1 mícron (µm). Consequentemente, a densidade de fluxo de energia de um pulso de laser de 1 PW pode atingir até 10 23 W/cm 2 . Já agora, na instalação Hercules menos potente, de 300 TW, foi alcançada uma intensidade recorde de 2 × 10 22 W/cm 2. Se levarmos em conta que a energia que um pulso de laser ultracurto pode transportar pode chegar a centenas de joules, então nos próximos anos devemos esperar o aparecimento de lasers ainda mais intensos. Além disso, estas não são “fábricas de laser” gigantescas ao nível da energia de megajoule, que estão actualmente a ser criadas para fins de fusão termonuclear a laser, mas sim instalações bastante compactas à escala laboratorial. Eles geralmente são chamados de lasers superpoderosos em uma mesa. E se tais lasers aparecerem, criarão campos elétricos superfortes sobre a mesa, capazes de acelerar partículas, e a uma taxa de aceleração muito superior à alcançada em aceleradores, incluindo a maior instalação experimental do mundo - o Grande Colisor de Hádrons? A resposta a esta pergunta é positiva, mas antes de discuti-la em detalhes, vamos abordá-la pelo lado histórico.

Ao longo do último século, a humanidade curiosa dominou persistentemente diferentes tipos de aceleradores, tentando acelerar partículas carregadas a energias cada vez mais altas, o que era necessário para compreender os segredos do micromundo. Um ramo independente da física de partículas elementares foi formado - física de altas energias - que estuda as interações de partículas elementares com energias de colisão que excedem significativamente as massas das próprias partículas em colisão. No entanto, quanto maior a energia para a qual as partículas são aceleradas, maior se torna o acelerador. O maior acelerador linear é construído na Universidade de Stanford (EUA) e, ao longo de 3,2 km, acelera elétrons e pósitrons a energias de cerca de 50 GeV. Observe que os aceleradores lineares têm uma vantagem significativa sobre os aceleradores cíclicos - os elétrons neles não perdem energia, pois, devido à velocidade constante em magnitude e direção, quase não emitem. A energia final da partícula pode ser aumentada simplesmente aumentando o comprimento, mas isto é limitado por considerações económicas. O fato é que nos aceleradores, um aumento na energia das partículas carregadas ocorre sob a influência de um campo elétrico direcionado ao longo do momento da partícula, e todas as partes do acelerador consistem em átomos, cujos elétrons são facilmente separados do núcleos se um campo elétrico suficientemente forte for aplicado. Nos melhores casos, é possível obter uma intensidade de alta tensão correspondente a intensidades de campo da ordem de 100 megavolts (MV).
por metro Com o aumento adicional da tensão, inicia-se uma intensa ejeção de elétrons da superfície dos materiais, que atingem as paredes, gerando avalanches de elétrons secundários. Então ocorre uma descarga de alta tensão, levando à destruição.

Em aceleradores lineares, as partículas leves são normalmente aceleradas por um campo elétrico de alta frequência, movendo-se sincronicamente (em ressonância) com as mudanças no campo, de modo que a força elétrica está sempre na fase de aceleração em relação à partícula em movimento. Essencialmente, é usado o princípio do “surf de partículas” em uma onda de alta frequência. Em grandes aceleradores lineares, a energia de alta frequência é gerada por grandes dispositivos de vácuo chamados clístrons em frequências de vários gigahertz (GHz). A ameaça de avaria limita significativamente a intensidade permitida do campo de alta frequência e, consequentemente, a taxa de ganho de energia. Deixando de lado a viabilidade econômica, o próprio planeta Terra limita a energia máxima das partículas que pode ser alcançada usando aceleradores tradicionais. Nesse sentido, é interessante relembrar um hipotético acelerador para toda a Terra, que pode ser chamado de fermitron, já que seu esboço foi feito por E. Fermi na década de 1940. Mesmo tal acelerador não permitirá que o elétron ganhe energia acima de 1 petaelétron-volt (PeV) = 10 15 eV. É óbvio que simplesmente aumentar o comprimento do acelerador leva a um beco sem saída, desde que estabeleçamos o objectivo de um avanço qualitativo na eficiência da aceleração. Se os elétrons precisam de um comprimento de 1 GeV para atingir 1 GeV em um acelerador linear,
100 m, então para uma energia de 1 TeV será necessário um acelerador de 100 km de comprimento!

Um aumento significativo na taxa de aceleração de partículas usando lasers de pulso curto de alta potência poderia reduzir radicalmente o tamanho do acelerador. Na verdade, os pulsos de laser discutidos podem excitar campos superfortes, mas isto, como vimos, não é suficiente. É necessário abandonar o vácuo com os elementos estruturais da tecnologia tradicional de aceleradores, substituindo-o por um meio capaz de resistir a campos ultrafortes. E aqui a própria natureza vem em socorro. Sob a influência de intensos pulsos de laser, qualquer substância se transforma em plasma. Isto é fácil de entender se considerarmos que os campos intra-atômicos são pequenos em comparação com os campos laser. Propagando-se, por exemplo, através de um gás, um pulso de laser o ioniza completamente em sua borda principal. O plasma que surge atrás da frente é aquele meio fértil que permite a existência de campos elétricos gigantescos nele. E se o campo elétrico limite para um acelerador tradicional, como vimos, não excede 100 MV/m, então no plasma ele pode ser pelo menos três ordens de grandeza maior - 100 GV/m, e, portanto, o comprimento do o acelerador pode ser o mesmo vezes menor! Resta apenas criar um campo de alta frequência no plasma, semelhante ao campo de um acelerador linear. Isto foi inventado há mais de trinta anos, mas só recentemente foi implementado para produzir feixes de elétrons com energias de centenas de MeV.

Propagando-se no plasma, o pulso do laser empurra elétrons. Como os íons são muito massivos, eles permanecem praticamente imóveis, formando um fundo uniforme e carregado positivamente. O campo elétrico dessa carga positiva tende a devolver os elétrons empurrados pelo pulso. Acelerados por este campo, os elétrons ultrapassam sua posição inicial. É assim que surgem oscilações em relação aos íons, que são chamadas de oscilações de plasma. À medida que o pulso do laser viaja através do plasma, essas oscilações seguem diretamente atrás dele. Na cauda do pulso, aparece uma região de densidade eletrônica reduzida, seguida por uma aumentada, depois novamente diminuída, etc. Nessa onda, uma onda de separação de carga, chamada de onda de esteira pelos físicos, a fase se propaga através do plasma a uma velocidade de impulso (próxima da velocidade da luz). O campo elétrico desta onda é semelhante ao campo de alta frequência de um acelerador linear. Em uma metade do período ele é direcionado na direção de propagação do impulso e na outra metade - na direção oposta. Agora você precisa colocar um elétron com velocidade inicial próxima à velocidade do pulso na parte acelerada do semiciclo do plasma, e então ele, movendo-se junto com a onda, começará a acelerar. Este método de aceleração é chamado de aceleração de esteira. No entanto, só funcionará se o pulso do laser, propagando-se através do plasma, não divergir. E aqui novamente a natureza vem em socorro na forma do fenômeno de autofocalização da luz no plasma, previsto pelo físico soviético G. A. Askaryan em 1961. Ele permite que o pulso do laser percorra uma longa distância no plasma quase sem perda de intensidade, proporcionando assim um grande ganho de energia às partículas aceleradas. Hoje o recorde de energia dos elétrons acelerados é de 800 MeV. Eles ganharam essa energia ao longo de um comprimento de 1 cm. Quando o pulso do laser foi ajudado artificialmente a não divergir, direcionando-o através de um capilar cheio de plasma, foi possível acelerar os elétrons a uma energia de 1 GeV ao longo de um comprimento de 3 cm.

Observe que energias eletrônicas de centenas de MeV obtidas durante a aceleração da esteira foram alcançadas como resultado da excitação por um pulso de laser de um campo de plasma muito peculiar, que tinha apenas um período. Nesse modo, a intensidade do pulso de luz ultrapassava 10 19 W/cm 2, e a pressão da luz sobre os elétrons do plasma era tão grande que atrás do pulso apareceu uma região arredondada na qual praticamente não havia elétrons. Este modo é chamado de modo bolha. Na verdade, um buraco carregado positivamente com um tamanho característico da ordem do diâmetro do ponto de laser (10–20 mícrons) voa atrás do pulso; o campo de plasma capaz de acelerar elétrons está concentrado próximo ao seu limite traseiro. E aqui a questão é legítima: de que tipo de aceleração podemos falar, se à primeira vista não há nada para acelerar na estrutura em formação, já que quase todos os elétrons são espremidos para fora da bolha. Isto demonstra claramente o problema da aceleração da esteira - garantindo a injeção eficiente de elétrons no campo de plasma em aceleração. No entanto, também ocorre sem medidas especiais. Esta é a chamada autoinjeção, quando, por vários motivos, um pequeno número de elétrons é injetado no campo acelerado a uma velocidade relativística. No modo bolha, isso ocorre devido ao campo elétrico radial de uma bolha carregada positivamente. Na figura, a trajetória desses elétrons coletados na periferia da bolha é ilustrada por uma seta semicircular. Como existem poucos desses elétrons, a corrente das partículas aceleradas é muito pequena. Via de regra, estamos falando da carga total de partículas aceleradas a alta energia em um nível de apenas dezenas de picoculombs (10–12 C).

Vários esquemas de injeção de elétrons em um campo de plasma em aceleração têm sido discutidos há muito tempo, possibilitando obter elétrons a uma velocidade próxima à velocidade da luz e atingir um número significativo deles. Foi proposto, por exemplo, a utilização de um feixe de elétrons pré-preparado e sincronizado com o pulso de laser no qual é injetado. Com esta chamada injeção óptica, um grupo de elétrons é criado pela pressão da luz de um pulso adicional e por uma série de outras técnicas especiais. Não vou me alongar nisso, mas como exemplo darei apenas uma técnica, cujo surgimento está associado a um curioso caso de prática pessoal.

Há muitos anos, nós, teóricos da FIAN, colaboramos com experimentadores do Center for Ultrafast Optical Phenomena (CUOS) da Universidade de Michigan (EUA), onde o sistema de laser Hercules acima mencionado opera com a maior intensidade do mundo. Usando esta configuração, os pesquisadores do CUOS alcançaram a geração estável de grupos de elétrons no modo bolha ao irradiar um jato de gás hélio, variando os parâmetros do laser e do jato. Nós, juntamente com cientistas do Centro Nuclear Federal Russo - Instituto Russo de Pesquisa de Física Técnica em homenagem. O acadêmico E.I. Zababakhin desenvolveu teoricamente a ideia da chamada injeção de ionização para tal regime. Seu significado é usar como alvo não o hélio, que é completamente ionizado na frente do pulso de laser, atrás do qual quase não sobram elétrons para aceleração, mas um gás mais pesado. Ele não será ionizado pela borda principal do pulso de laser até o final, mas pode ser ainda mais ionizado no máximo do pulso, onde um forte campo de laser é capaz de retirar elétrons das camadas inferiores do átomo. Então esses elétrons poderiam ser capturados de forma mais eficiente pelo campo de plasma e acelerados, o que, em nossa opinião, levaria a um aumento na corrente de partículas de alta energia. No entanto, a nossa proposta de utilizar um gás mais pesado foi recebida com cepticismo pelos experimentadores do CUOS, e houve de facto argumentos razoáveis ​​para isso. O fato é que um átomo pesado produz tantos elétrons durante a ionização que o plasma resultante impede a passagem do pulso de laser. Assim, os experimentadores continuaram os experimentos com hélio, e nós, teóricos, tentamos encontrar um gás pesado mais adequado. Como acontece frequentemente, a verdade estava no meio e um curioso incidente ajudou a revelá-la.

Alcançar a geração sustentada de grupos de elétrons de alta energia exige que eles se tornem detectáveis ​​em cada disparo de laser. Mas isto é impossível com um pequeno número de partículas aceleradas. Porém, essa geração mais ou menos estável ainda foi observada, e apenas no período da manhã, no início da jornada de trabalho. Depois de duas ou três horas, ele parou e, durante o resto do tempo, o experimento produziu ou não partículas aceleradas. No final, surgiu o palpite de que uma geração mais estável de elétrons nas primeiras horas da manhã é facilitada pelo ar que penetrou durante a noite nos canos, mangueiras e outros dispositivos que criam o jato de hélio. Assim, pela manhã o experimento não foi realizado com hélio absolutamente puro, mas com hélio contendo uma pequena mistura de átomos pesados ​​​​(nitrogênio, oxigênio). A suposição foi testada propositalmente adicionando pequenas quantidades de diferentes gases inertes e nitrogênio ao hélio. Ao ajustar a concentração de átomos pesados, os experimentadores do CUOS conseguiram aumentar o número de partículas aceleradas em duas ordens de grandeza. Foi assim que o mecanismo de injeção de elétrons por ionização foi descoberto. Gostaria de observar que acaba de se saber experimentos realizados por pesquisadores da Universidade da Califórnia (Los Angeles) e do Laboratório Nacional Livermore dos EUA, nos quais, graças à injeção de ionização, foi possível acelerar elétrons a uma energia de 1,5 GeV . A comunidade científica aguarda ansiosamente a publicação destes resultados.

Outro meio de plasma que pode acelerar partículas é o plasma com densidade de um sólido. É formado naturalmente por um curto pulso de laser que irradia a folha. Via de regra, a espessura das folhas varia de um mícron a várias dezenas. Nos últimos anos, alvos de laser de estado sólido tornaram-se amplamente utilizados como fonte de elétrons relativísticos. Com base neles, foi criado até um “acelerador” contínuo usando pulsos de laser um após o outro com uma alta taxa de repetição, quase quilohertz (mil pulsos por segundo). Em alvos sólidos, é possível aumentar significativamente o número de elétrons acelerados em um flash de laser. No entanto, sua energia é menor do que no caso do plasma gasoso. Aqui não nos deteremos na aceleração dos elétrons das folhas, mas falaremos sobre a aceleração de partículas mais pesadas - prótons - com a ajuda deles.

Como ocorre a aceleração de prótons quando pulsos curtos de laser de alta potência são aplicados à folha? Em primeiro lugar, a radiação laser ioniza o alvo e acelera os elétrons resultantes, que passam pela folha e voam para fora do lado oposto. A fonte desses elétrons é a coroa de plasma (pré-plasma), que aparece na superfície frontal do alvo devido ao fato de que, por razões técnicas, o pulso do laser é precedido por uma escala bastante longa de nanossegundos (1 ns = 10– 9 s), pré-pulso de baixa intensidade (pedestal). Os elétrons do pré-plasma acelerados na direção do pulso do laser não conseguem voar muito além do alvo, pois são desacelerados pelo campo elétrico dos íons restantes na folha. Como resultado, uma nuvem de elétrons carregada negativamente é formada perto da superfície posterior da folha - um cátodo virtual e um campo elétrico, que é direcionado perpendicularmente à superfície do alvo e separa as cargas. Ele ioniza átomos localizados na superfície traseira do alvo. Via de regra (se você não tomar medidas especiais para limpar a superfície), existem muitos prótons entre os íons ali formados. Eles voam para fora dos átomos de hidrogênio que fazem parte de uma película muito fina de água adsorvida na superfície da folha. E então, sob a influência do campo elétrico de separação de cargas, os prótons começam a acelerar, atingindo energias de dezenas de MeV.

É claro que o campo de separação de carga também acelerará os íons-alvo mais pesados ​​que voam atrás dos prótons. No entanto, a energia iônica ganha por núcleon será máxima para os prótons, uma vez que para eles a razão carga-massa é máxima. Para aumentar a eficiência da transferência de energia para íons mais pesados, é necessário limpar a superfície posterior da folha do filme de água aquecendo o alvo a uma alta temperatura ou irradiando sua superfície com um pulso de laser fraco antes da chegada do pulso principal .

Até o momento, a energia recorde dos prótons acelerados é de cerca de 70 MeV. A meta nos próximos anos é aumentar significativamente esse valor no nível atual de energia do laser. O sucesso nessa direção está associado tanto ao progresso na fabricação de microtargets quanto à melhoria na qualidade do pulso do laser. Vamos ilustrar isso com um exemplo entre os esquemas promissores discutidos para aceleração de prótons por laser. Há vários anos, foi comprovado que a maior energia dos prótons acelerados é alcançada com o uso de folhas ultrafinas. A espessura necessária da folha deve ser aproximadamente igual à profundidade da camada da pele, a região na qual o campo do laser penetra para irradiar o plasma denso. Para plasma com densidade de estado sólido, esse valor varia de vários a centenas de nanômetros (1 nm = 10–7 cm), dependendo da intensidade da radiação laser. As tecnologias modernas permitem obter folhas nanométricas de boa qualidade, adequadas para uso como alvos. A interação de um poderoso pulso de laser com tal alvo e a aceleração das partículas ocorre em todo o seu volume. À medida que a energia do elétron se torna relativística, podemos falar do surgimento de uma nova direção científica - a nanoplasmônica relativística. Já dissemos que um pulso de laser real não é ideal - ele tem um pré-pulso que destrói facilmente um alvo fino antes mesmo da chegada do pulso principal. Com o advento da tecnologia de espelho de plasma, é possível limpar o pulso de laser do pré-pulso, e com isso surge a esperança de uma aceleração mais eficiente dos prótons em um futuro próximo.

Como seria um esquema para acelerar um pulso de laser “ideal” de prótons a partir de uma folha ultrafina? É retirada uma folha de tamanho submícron, consistindo de uma mistura de átomos pesados ​​​​e hidrogênio. Sob a ação de um pulso curto de laser, a folha é ionizada e os elétrons resultantes deixam-na rapidamente. A carga positiva restante dos íons sofrerá a chamada explosão de Coulomb. Nesse caso, os prótons, por serem os mais leves, serão empurrados para fora e criarão uma camada que será acelerada pelo campo elétrico. Os íons pesados ​​voarão atrás da camada de prótons, agindo sobre ela como um “pistão de Coulomb”. Este esquema de aceleração de prótons é confirmado por simulações numéricas tridimensionais.

Concluindo este conto, observo que paralelamente ao desenvolvimento de métodos de aceleração de partículas a laser e métodos para melhorar a qualidade dos feixes de íons e elétrons gerados, há uma ampla discussão e experimentação sobre seu uso prático. Entre eles:

ignição rápida de um alvo termonuclear (quando partículas de alta energia são direcionadas para o combustível termonuclear comprimido e o acendem, iniciando uma reação de fusão, semelhante à forma como uma vela acende o combustível em um motor de combustão interna);

radiografia de elétrons e prótons (permitindo ver a estrutura e os campos internos da matéria densa, como um raio X);

terapia de câncer de elétrons e hádrons (atualmente disponível apenas com aceleradores, o que limita o uso desse método de tratamento);

início de reações nucleares, incluindo a produção de isótopos de vida curta e uma fonte de nêutrons de pulso curto (o que torna os lasers uma ferramenta útil em física e tecnologia nuclear);

novas fontes de radiação eletromagnética (de ondas terahertz à radiação gama) e muito mais.

Haverá um caminho difícil pela frente para alcançar todos estes resultados práticos, mas o ganho será uma conquista à escala global.

Literatura

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

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

3. Mordovanakis A. G., Easter J., Naumova N., Popov K., Masson-Laborde PE, Hou B., Sokolov I., Mourou G., Glazyrin I. V., Rozmus W., Bychenkov V., Nees J. e Krushelnick K. // Cartas de Revisão Física, 2009, v. 103, pág. 235001.

4. Brantov A.V., Bychenkov V.Yu. // Física do Plasma, 2010, v. 279.

Maio de 2006 No. 5 "NO MUNDO DA CIÊNCIA"
Física

ACELERADORES DE PLASMA

Chandrashekar Joshi

Nos novos aceleradores, as partículas elementares acumularão energia colossal enquanto deslizam nas cristas das ondas de plasma.

Com a ajuda de aceleradores de partículas, os físicos estão tentando desvendar os mistérios fundamentais da natureza. Nessas instalações gigantescas, partículas carregadas são aceleradas quase à velocidade da luz e depois colidem umas com as outras, recriando as condições que existiam no momento do nascimento do Universo. Ao analisar os resultados das colisões, os cientistas esforçam-se por compreender como forças e partículas aparentemente díspares estão relacionadas entre si e como a sua interação pode ser descrita no âmbito de uma teoria unificada. Mas quanto mais perto os físicos chegam de desvendar os segredos mais íntimos da criação, mais aceleradores poderosos e caros são necessários para conduzir experimentos.

O acelerador mais poderoso está atualmente em construção no Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN). Estamos falando do Grande Colisor de Hádrons (LHC) com diâmetro de 8,6 km, que será comissionado em 2007. Os prótons nele serão acelerados em sete trilhões de volts, e suas colisões nos dirão de onde vem a massa das partículas ( ver “Missa de Mistérios”, “VMN”, nº 10, 2005). Usando as instalações existentes, os cientistas estão tentando obter plasma de quark-glúon (o estado inicial da matéria) e entender por que há mais matéria no Universo do que antimatéria. Hoje, todos os aceleradores usam a tecnologia antiga e complicada de acelerar partículas carregadas com radiação de micro-ondas.

Aceleradores de plasma aceleram elétrons a várias centenas de MeV e estão localizados em uma bancada de laboratório.

REVISÃO: SURF DE PLASMA Durante décadas, ressonadores de microondas têm sido usados ​​para acelerar partículas elementares a velocidades próximas à da luz. O Large Hadron Collider (LHC) com diâmetro de 8,6 km, que será lançado em 2007, também é composto por eles. A tecnologia de aceleração de elétrons e pósitrons deslizando sobre uma onda eletromagnética excitada em um plasma permitirá reduzir significativamente o tamanho e o custo dos aceleradores de alta energia. A nova técnica já foi testada em experimentos de laboratório. Com base em dispositivos de plasma, será possível criar aceleradores de mesa de baixa energia para pesquisas nas áreas de ciência de materiais, biologia estrutural, medicina nuclear e esterilização de alimentos.

Ao longo dos últimos três quartos de século, o poder dos aceleradores aumentou cerca de uma ordem de grandeza a cada 10 anos, permitindo aos cientistas fazer muitas descobertas fundamentais na física nuclear e de partículas. Mas esse progresso continuará? Os aceleradores de microondas parecem ter atingido o limite de suas capacidades. Em 1993, o Congresso dos EUA parou de financiar um supercolisor supercondutor de 28 km de diâmetro, avaliado em 8 mil milhões de dólares, que teria sido duas vezes mais poderoso que o LHC. Os físicos esperam agora que um colisor linear de 30 km seja construído próximo ao LHC, mas não há certeza de que o projeto multibilionário não compartilhará o destino do supercolisor. Novos métodos de aceleração de partículas usando plasma não poderiam ter surgido em momento mais oportuno, cuja utilização reduzirá significativamente o tamanho e o custo dos aceleradores para a física de energia mais alta (100 GeV e mais).

Além de aceleradores gigantes operando com energias extremamente elevadas, existem também máquinas mais modestas. Eles são usados ​​na ciência dos materiais, na biologia estrutural, na medicina nuclear, bem como no estudo da fusão nuclear, na esterilização de alimentos, no tratamento de resíduos nucleares e no tratamento de certos tipos de câncer. Nessas instalações, a energia dos elétrons ou prótons é relativamente baixa (de 100 MeV a 1 GeV), mas, mesmo assim, ocupam muito espaço. Num futuro próximo, eles provavelmente serão substituídos por aceleradores de plasma para desktop.

MODO BOLHA

Um acelerador wakefield usa uma força de aceleração criada por uma distribuição de carga perturbada chamada wakefield. O laser principal ou pulso de elétron empurra os elétrons do plasma (branco) para a periferia, deixando para trás uma região de carga positiva (verde). Ele puxa os elétrons carregados negativamente de volta e uma bolha de elétrons se forma atrás do pulso principal. Ao longo do eixo de propagação do feixe, o campo eléctrico (mostrado abaixo) assemelha-se a uma onda oceânica muito íngreme prestes a rebentar. O wakefield transmite uma aceleração poderosa ao pulso de elétrons acionado preso na parte de trás da bolha.

Radiação de microondas e plasma

Antes de começarmos a considerar a nova tecnologia, vamos dar uma olhada mais de perto nos aceleradores clássicos. Em primeiro lugar, aceleram partículas elementares leves (elétrons e pósitrons) ou pesadas (prótons e antiprótons). Em segundo lugar, as partículas podem ser aceleradas numa passagem recta ou em várias revoluções circulares. Por exemplo, o LHC é uma instalação em forma de anel na qual dois feixes de prótons colidirão. Depois do LHC, os físicos esperam construir um colisor linear de elétrons e pósitrons com uma energia no ponto de colisão da ordem de 0,5 TeV. Nessas energias, os elétrons e os pósitrons devem acelerar em linha reta, uma vez que a aceleração circular levaria a perdas excessivas de energia na radiação síncrotron. Os aceleradores de plasma são mais adequados para aceleração linear de partículas leves.

Um colisor linear convencional acelera partículas por meio de um campo elétrico que se move em sincronia com elas. Em um ressonador de cavidade de ondas lentas (um tubo de metal com diafragmas dispostos periodicamente), um campo elétrico é criado usando poderosa radiação de micro-ondas. Com uma intensidade de campo de 20 MV/m a 50 MV/m, ocorre uma ruptura elétrica: faíscas elétricas saltam das paredes metálicas dos ressonadores e a corrente neles cai drasticamente. Como a intensidade do campo elétrico deve estar abaixo do limite de ruptura, são necessárias longas distâncias para acelerar as partículas a altas energias. Por exemplo, para produzir um feixe de partículas de trilhões de volts, é necessário um acelerador de 30 km de comprimento. Se não estivéssemos limitados pelo limite de avaria eléctrica, poderia tornar-se mais compacto.

Nos aceleradores do novo tipo, o papel da estrutura aceleradora é desempenhado pelo gás ionizado, ou seja, plasma. A quebra elétrica passa a ser um dos principais elementos estruturais, pois é necessária para a ionização do gás. A fonte de energia não é a radiação de micro-ondas, mas um feixe de laser ou um feixe de partículas carregadas.

Parece que nem um nem outro são adequados para acelerar partículas elementares: tanto no feixe de laser quanto no fluxo de partículas carregadas existem fortes campos elétricos, mas seus vetores são perpendiculares à direção de propagação. Mas num acelerador o campo elétrico deve ser longitudinal, ou seja, direcionado para o movimento de partículas aceleradas. Felizmente, quando um feixe de laser ou feixe de partículas carregadas passa através de um plasma, um poderoso campo elétrico longitudinal pode ser gerado nele.

O plasma é geralmente eletricamente neutro e contém quantidades iguais de cargas negativas (elétrons) e positivas (íons). Um poderoso pulso de laser ou um monte de partículas cria uma perturbação no plasma. Essencialmente, o feixe retira elétrons leves de íons positivos mais pesados, resultando em áreas de excesso de cargas positivas e negativas (veja a figura acima). A perturbação produz uma onda que viaja através do plasma quase à velocidade da luz. Um poderoso campo elétrico direcionado da área de carga positiva para a área de carga negativa acelera as partículas carregadas nele capturadas.

O gás ionizado pode suportar campos elétricos acelerados de magnitude fantástica. Por exemplo, num plasma contendo 10 18 electrões por 1 cm 3 (um valor bastante comum), pode surgir uma onda com um campo eléctrico de pico de -100 GV/m - mil vezes maior do que num acelerador de microondas convencional. No entanto, há um problema fundamental: o comprimento típico de uma onda de micro-ondas é de 10 cm, e o comprimento de uma onda de plasma é de apenas 30 mícrons, e é muito difícil colocar nela um monte de elétrons acelerados.

O método descrito para acelerar partículas elementares usando plasma foi proposto em 1979 por John M. Dawson, da Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA). Mas quase uma década e meia se passou antes que um experimento fosse realizado no qual elétrons fossem acelerados em ondas de plasma. O autor do artigo, juntamente com colegas da UCLA, resolveu inequivocamente este problema em 1993. Dois novos tipos de aceleradores merecem atenção especial: com campos de despertar de laser e plasma. O wakefield a laser encontrará ampla aplicação em aceleradores de desktop de baixa potência, e o wakefield a plasma encontrará ampla aplicação em colisores ultrapoderosos, que fornecerão a maior energia de colisão.

ACELERADOR COM LASER WAKEFIELD

Um acelerador de plasma de mesa concentra um feixe de laser de alta intensidade em um jato supersônico de gás hélio (esquerda). O pulso de luz cria plasma no fluxo de gás e o campo de esteira acelera alguns de seus elétrons. O pulso de elétrons resultante é colimado e passa por um campo magnético, que desvia as partículas de acordo com suas energias. Esse acelerador pode caber em uma mesa medindo 1,2 m por 1,8 m. Imagens de feixes de elétrons (à direita) tiradas no Laboratório de Óptica Aplicada do Instituto Politécnico Francês mostram como um grande obstáculo foi superado. Embora alguns elétrons tenham sido acelerados até 100 MeV, o limite inferior da faixa de energia atingiu 0 MeV(a). Além disso, o feixe divergiu em um grau completo. Em contrapartida, em experimentos com o modo bolha recentemente descoberto, foi possível obter um feixe monoenergético bem focado com energia de cerca de 180 MeV (b).

Pulsos de luz

Hoje podemos falar em criar aceleradores de plasma de mesa, pois temos à nossa disposição lasers compactos de titânio-safira que geram pulsos de luz ultracurtos com potência de até 10 TW. Quando tal pulso é direcionado a um jato de hélio de 2 mm de comprimento, ele retira instantaneamente elétrons das moléculas de gás, criando plasma.

A pressão leve da "bala" do laser é tão alta que os elétrons são "explodidos" em todas as direções. Os íons que eles deixam os atraem de volta, e os elétrons correm para o eixo ao longo do qual o pulso do laser se propaga, ultrapassam-no e movem-se para fora novamente. O resultado são oscilações semelhantes a ondas chamadas campo de despertar do laser.

Os elétrons formam uma espécie de bolha com diâmetro de aproximadamente 10 mícrons. Um pulso de laser se move próximo à sua frente, criando plasma. O interior da bolha é feito de íons e o campo elétrico nela se assemelha a uma onda oceânica extremamente alta. Outras configurações são possíveis, mas o modo bolha fornece a aceleração de elétrons mais confiável.

Quando um canhão de elétrons injeta elétrons em um local do plasma onde eles já existem em abundância, novas partículas são impulsionadas pelo campo elétrico em direção às cargas positivas dentro da bolha. A onda avança na velocidade da luz, então os elétrons injetados devem estar próximos da velocidade da luz para capturar a onda e obter energia adicional dela. De acordo com a teoria da relatividade, um aumento adicional na energia dos elétrons ocorre principalmente devido a um aumento na sua massa, não na velocidade. Portanto, não ultrapassam a onda de plasma, mas parecem deslizar sobre sua crista, adquirindo cada vez mais energia. Alguns elétrons do próprio plasma são capturados e acelerados de forma semelhante, como espuma capturada na crista de uma onda oceânica.

Em 2002, Victor Malka, do Laboratório de Óptica Aplicada do Instituto Politécnico Francês, mostrou que um wakefield controlado por laser poderia produzir um feixe altamente focado contendo 108 elétrons. Infelizmente, a faixa de energia dos elétrons acelerados revelou-se muito ampla (de 1 MeV a 200 MeV). Na maioria dos casos, são necessários feixes de elétrons com a mesma energia.

Em breve será possível usar aceleradores de plasma de mesa para produzir feixes de elétrons de baixa energia.

A grande dispersão de energia se deve ao fato dos elétrons serem capturados pela onda do campo em diferentes pontos e em diferentes momentos. Em um acelerador convencional, as partículas são injetadas em um local próximo ao pico do campo elétrico. Os cientistas acreditavam que uma injeção tão precisa em um acelerador com wakefield a laser é impossível, porque a estrutura aceleradora é de tamanho microscópico e existe por um período muito curto. No entanto, em 2004, três equipas concorrentes de investigadores dos EUA, França e Reino Unido descobriram simultaneamente um novo regime físico no qual os electrões auto-presos se movem como uma unidade única e atingem a mesma energia. Todos os três grupos usaram lasers de maior potência do que antes (10 TW e superiores). Quando um pulso de laser tão poderoso passa através de um plasma, ele se torna mais curto e cria uma grande bolha de elétrons que captura elétrons do plasma. Existem tantos elétrons autocapturados que eles retiram muita energia da onda de esteira e a captura de novas partículas é interrompida. Os elétrons mais energéticos na vanguarda do grupo estão à frente da onda e começam a perder energia, enquanto os elétrons atrasados ​​com menor energia continuam a ganhá-la.

O resultado é um feixe de elétrons com uma distribuição estreita de energia. Por exemplo, nas experiências de Malka a sua propagação foi reduzida de 100% para 10% com uma intensidade de feixe de cerca de 109 electrões. Sua dispersão angular também diminuiu visivelmente: acabou sendo comparável à dispersão angular de feixes criada pelos melhores aceleradores lineares de micro-ondas. Os feixes de elétrons resultantes eram na verdade pulsos com duração de apenas 10 fs, ou seja, foram os mais curtos já produzidos em aceleradores. Portanto, eles podem ser usados ​​como fonte de radiação para estudar processos químicos e biológicos ultrarrápidos. Se tal pulso de elétrons for direcionado a um alvo de metal fino, um pulso de raios X igualmente curto poderá ser obtido. É provável que os raios X produzidos por aceleradores de mesa encontrem em breve muitas aplicações.

Em princípio, um acelerador de wakefield a laser pode acelerar elétrons para energias da ordem de 1 GeV, mas isso requer a produção de uma onda de plasma que persista por um centímetro inteiro, em vez de alguns milímetros. Para que o feixe de laser que o excita mantenha sua intensidade pelo maior tempo possível, é necessário criar para ele um guia de luz de plasma. O método mais promissor é considerado a formação preliminar de um guia de luz de plasma, que está sendo desenvolvido por pesquisadores do Laboratório Nacional. Lawrence em Berkeley. Neste método, a densidade eletrônica próxima ao eixo do plasma é menor do que na periferia. Portanto, o índice de refração no centro do canal de plasma é maior do que na periferia, e o canal se comporta como uma fibra óptica direcionando o feixe de laser. Experimentos em Berkeley já mostraram que tais canais permitem a obtenção de feixes monoenergéticos de elétrons. Outras melhorias na tecnologia provavelmente levarão à disponibilidade de aceleradores de plasma de mesa da classe GeV.

PÓS QUEIMADOR DE PLASMA

A aceleração em um wakefield de plasma foi recentemente demonstrada no Stanford Linear Collider (SLC). Na instalação de plasma, a energia do feixe de elétrons aumentou 4 GeV em um percurso de apenas 10 cm, o que exigiria uma seção de 200 m de comprimento em um acelerador de micro-ondas convencional. Os comprimidos de lítio são evaporados em um forno especial. O intenso pulso de elétrons (vermelho) ioniza o vapor e cria um plasma. Ele "sopra" os elétrons do plasma (azul) para fora, formando uma distribuição de carga perturbada atrás dele, criando um campo de aceleração. Os elétrons no campo de esteira experimentam uma aceleração poderosa (setas laranja).

Na ausência de lítio (a), o feixe de elétrons acelerado pelo SLC até 30 GeV era monoenergético (energia depositada verticalmente). Depois de passar por 10 cm de plasma de lítio (b), muitas das partículas do feixe perderam energia para criar um campo de despertar de plasma (cauda vermelha), que acelerou um pequeno número de elétrons na parte traseira do pulso para energia mais alta (área azul no topo ).

Aproximando-se da Energia Suprema

É possível usar aceleradores de plasma compactos para acelerar partículas elementares a energias da ordem de 1 TeV? Em princípio, seria possível conectar centenas de módulos aceleradores laser-plasma compactos em série, proporcionando incrementos de energia de vários GeV. Um esquema de cascata semelhante é usado para obter altas energias usando aceleradores de microondas tradicionais. No entanto, aceleradores de plasma em cascata apresentam enormes dificuldades.

Hoje, é dada preferência ao método de pós-combustão de plasma, no qual um acelerador com wakefield de plasma dobra a energia das partículas aceleradas por um acelerador convencional. Este último produz dois pulsos de elétrons ou pósitrons com energia da ordem de várias centenas de GeV. O primeiro pulso (chamado de principal) contém três vezes mais partículas que o segundo (acionado). Tanto a duração de cada pulso quanto o intervalo de tempo entre eles são geralmente de 100 fs. Como em um acelerador a laser, um pulso denso atinge um plasma menos denso e cria uma bolha com um campo de despertar. O processo prossegue da mesma maneira que em um acelerador com campo de esteira a laser, mas os elétrons são espalhados não pela leve pressão do feixe, mas pelo campo elétrico do pulso principal. O pulso acionado então entra na bolha de elétrons e é rapidamente acelerado pela componente longitudinal do campo elétrico resultante.

Um acelerador com campo de esteira de plasma despertou grande interesse entre os físicos envolvidos no aprimoramento da tecnologia de aceleradores. O que o tornou tão atraente foram as conquistas dos cientistas da UCLA, da Universidade do Sul da Califórnia e do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Em primeiro lugar, eles conseguiram criar um acelerador de plasma com um metro de comprimento para elétrons e pósitrons. Foi necessária grande habilidade para aprender como manter a estabilidade das vigas principais a tal distância. Além disso, os físicos demonstraram um aumento da energia dos elétrons em mais de 4 GeV a uma distância de apenas 10 cm. O mais importante é que não existem obstáculos fundamentais para um aumento ainda maior da energia: basta simplesmente alongar o. área com plasma.

Finalmente, os cientistas demonstraram que o plasma melhora a focagem de um feixe de electrões ou pósitrons em pelo menos um factor de dois. Isto é muito importante para aceleradores, nos quais as partículas aceleradas devem ser focadas em um ponto muito pequeno. Quanto mais concentrados são os feixes, mais colisões ocorrem, cujo número é um parâmetro do colisor tão importante quanto sua energia.

Os sucessos listados nos permitem pensar em usar um circuito de plasma para atingir o limite superior de energia. Porém, a técnica deve primeiro ser testada em um acelerador em funcionamento, utilizando-o como primeiro estágio. Por exemplo, um par de dispositivos de plasma de 10 m de comprimento poderia ser instalado em ambos os lados do ponto de colisão no Stanford Linear Collider para aumentar a energia das partículas de 50 GeV para 100 GeV. Embora o projeto ainda não tenha sido financiado, o SLAC já propôs ao Departamento de Energia a construção de uma linha SABRE para acelerar partículas a altas energias para continuar a pesquisa.

Ao longo de uma seção de 10 cm de comprimento, o acelerador de plasma aumenta a energia do elétron em 4 GeV.

Examinamos o princípio de funcionamento dos aceleradores em relação à aceleração dos elétrons. Para acelerar pósitrons ou outras partículas com carga positiva, é necessário inverter o campo elétrico. Por exemplo, um feixe de pósitrons pode ser usado como feixe principal. Sua carga positiva atrairá os elétrons do plasma para dentro e eles, como antes, passarão pelo eixo central e formarão uma bolha. Nesse caso, a direção do campo elétrico mudará para a oposta que seria observada no caso de um pulso de elétron, que é o necessário para acelerar o pulso de pósitron acionado.

As instalações de plasma também podem acelerar partículas mais pesadas, como os prótons. No entanto, há um requisito importante: as partículas injetadas devem mover-se quase à velocidade da luz para acompanhar a onda de plasma. Isto significa que a energia dos prótons acelerados deve ser de pelo menos vários GeV.

A tecnologia do acelerador de plasma está se desenvolvendo a passos largos. Muitos problemas fundamentais já foram resolvidos, mas a criação de dispositivos específicos ainda enfrenta sérias dificuldades. Em particular, os engenheiros ainda precisam melhorar a eficiência do acelerador (a fração da energia do pulso de acionamento que é transferida para as partículas aceleradas), a precisão do alinhamento do feixe (no ponto de colisão eles devem estar alinhados com uma precisão de alguns nanômetros) e o taxa de ciclo (o número de pulsos acelerados por unidade de tempo).

Os criadores de um acelerador convencional levaram 75 anos para levar a energia de colisão dos elétrons com os pósitrons para 200 GeV. A tecnologia dos aceleradores de plasma está avançando muito mais rápido e os cientistas esperam ultrapassar os limites dos sistemas de micro-ondas para a física de altas energias em apenas algumas décadas.

AUMENTANDO A ENERGIA DE UM ACELERADOR CONVENCIONAL

Um experimento usando o Stanford Linear Collider (SLC) poderia demonstrar a viabilidade do uso de pós-combustores de plasma wakefield para aumentar a energia de um acelerador convencional. Pós-combustores de dez metros instalados nas saídas do SLC de três quilômetros devem aumentar a energia dos elétrons e pósitrons pré-acelerados de 50 GeV para 100 GeV. As lentes de plasma ajudarão a focar os feixes com o dobro da energia para que colidam em um ponto. A pós-combustão de elétrons deve ser preenchida com plasma, e a de pósitrons deve ter um canal axial oco. A experiência descrita ainda não foi financiada.

LITERATURA ADICIONAL:

Aceleradores de partículas de plasma. John M. Dawson em Scientific American, Vol. 260, nº. 3, páginas 54-61; Março de 1989.

Aceleradores de Plasma na Fronteira Energética e em Mesas. Chandra-shekhar Joshi e Thomas Katsouleas em Physics Today, Vol. 56, nº. 6; páginas 47-53; Junho de 2003.

Física do Acelerador: Os elétrons ficam pendurados em dez na esteira do laser. Thomas Katsouleas em Natureza, Vol. 431, páginas 515-516; 30 de setembro de 2004. Também três relatórios de pesquisa na mesma edição.

Grupo de estudos integrados de sistemas de aceleradores ópticos de lasers (L'OASIS) da Universidade da Califórnia, Berkeley: http://loasis.lbl.gov/

Experimento do Acelerador de Plasma Wakefield de Stanford: www.slac.stanford.edu/grp/arb/e164/index.html

SOBRE O AUTOR:
Chandrashekar Joshi Chandrashekhar Joshi é professor de engenharia elétrica na Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA). Ele dirige o High Frequency Electronics Center e o Neptune Facility for Advanced Accelerator Research na UCLA. Autor dos mais recentes métodos de aceleração de partículas elementares, Joshi é conhecido por seu trabalho em óptica de plasma não linear, na interação da intensa radiação laser com a matéria e no uso de plasma em fusão nuclear, aceleradores e fontes de luz.

Dois grupos de experimentadores projetaram imediatamente um novo acelerador laser-plasma de dois estágios. Um grupo de elétrons é criado e acelerado a uma energia de cerca de 1 GeV por um único pulso de laser, e o comprimento do conjunto “injetor mais acelerador” não excede um centímetro.

A escala dos aceleradores de partículas modernos é impressionante. O túnel do Grande Colisor de Hádrons tem 27 quilômetros de comprimento, e a próxima geração do Colisor Linear de Elétrons-Positrons atualmente em projeto terá cerca de 50 quilômetros de comprimento. Esses tamanhos colossais para instrumentos científicos não são um capricho dos físicos; eles surgem pela simples razão de que as tecnologias modernas não são capazes de acelerar partículas elementares com rapidez suficiente.

Em geral, as partículas são aceleradas por um forte campo eléctrico, e quanto mais forte for o campo, mais eficaz será a aceleração. Os aceleradores modernos usam o campo elétrico de uma onda de rádio estacionária, que é bombeada e contida em ressonadores supercondutores metálicos especiais. Mas esta técnica tem seu próprio limite tecnológico: se a onda de rádio for muito poderosa, muita corrente fluirá ao longo da superfície do ressonador, e o material simplesmente não poderá suportar tais correntes. Portanto, o limite de campos elétricos em ressonadores hoje é de aproximadamente 20 megavolts por metro (MV/m), e é improvável que seja possível subir significativamente acima deste valor. Isto significa que atingir 500 GeV (a energia electrónica planeada para o futuro colisor linear) só pode ser alcançado ao longo de uma extensão de 25 km, tornando o colisor linear não só extremamente complexo, mas também muito caro.

O experimento mostrou que o campo elétrico em tal acelerador de plasma pode ser milhares de vezes (!) maior do que o alcançado em ressonadores. Por exemplo, em 2006, a aceleração de electrões foi alcançada até uma energia de 1 GeV numa secção com pouco mais de 3 cm de comprimento, o que corresponde a um campo de aceleração de 30 GV/m. Essas conquistas abrem perspectivas estonteantes - afinal, com a ajuda da tecnologia de aceleração de esteira, o mesmo colisor elétron-pósitron de 500 GeV pode aparentemente caber em cem metros. Porém, nem tudo é tão simples: há uma série de dificuldades que terão de ser superadas antes que tais projetos se tornem realidade.

Em primeiro lugar, esta técnica só foi testada em secções de centímetros de comprimento (no entanto, estão agora a surgir propostas sobre como ultrapassar esta dificuldade). Portanto, para atingir energias verdadeiramente elevadas, as partículas precisarão ser aceleradas através de muitos “estágios aceleradores” sucessivos. No entanto, tal combinação de células aceleradoras ainda não foi realizada. Em segundo lugar, o acelerador não deve espalhar muito o grupo de partículas aceleradas, nem no espaço, nem em ângulos de divergência, nem em energia.

Em julho na revista Cartas de revisão física Dois artigos apareceram imediatamente relatando a superação dessas dificuldades. Mais especificamente, dois grupos de pesquisadores construíram independentemente um acelerador de elétrons laser-plasma totalmente óptico de dois estágios. O esquema experimental é mostrado na Fig. 1. A título de exemplo, é mostrada aqui a instalação de um grupo chinês de físicos; o desenho experimental do artigo do grupo americano foi muito semelhante.

O coração da instalação são duas câmaras cilíndricas de dimensões milimétricas conectadas coaxialmente. A primeira câmara é preenchida com uma mistura de hélio e oxigênio; o segundo - com hélio puro. Um poderoso pulso de laser focalizado ultracurto passa sequencialmente por ambas as câmaras, ionizando o gás e criando uma bolha de plasma primeiro na primeira e depois na segunda câmara. O gás de trabalho para criar plasma e acelerar elétrons é o hélio, e o oxigênio na primeira câmara é necessário como fonte de elétrons. Não é à toa que a instalação é chamada de “acelerador totalmente óptico”: nenhum elétron externo entra nela. Os elétrons são gerados na primeira câmara devido à ionização dos átomos de oxigênio sob a ação de um flash laser, eles também são pré-acelerados ali, depois injetados na segunda câmara, ali acelerados ainda mais (devido ao mesmo flash laser) e então saia.

Assim, em um comprimento inferior a um centímetro, os físicos conseguiram criar todo um complexo de aceleradores: um injetor com acelerador preliminar, uma linha de transmissão e depois o acelerador principal. Ressaltamos que essas duas seções do acelerador não operam de forma independente, mas em um único tandem: um único pulso de laser ultracurto passando por ambas as câmaras faz todo o trabalho em uma única passagem: gera as bolhas de plasma necessárias, gera um elétron compacto grupo e, em seguida, acelera-o em duas câmeras.

Experimentos mostraram que a energia do grupo de elétrons na saída depende tanto do comprimento da seção de aceleração quanto da potência do flash. A dependência da potência do laser acabou não sendo totalmente simples: a maior energia do elétron na saída (0,8 GeV) não foi alcançada na potência máxima do flash. Isso se deve ao fato de que o feixe de elétrons não deve apenas entrar na bolha de plasma, mas também estar localizado o mais próximo possível de sua parede posterior - ali o campo elétrico é mais forte.

Outro sucesso deste esquema de aceleração de dois estágios foram as características notáveis ​​do grupo de elétrons na saída. Na Fig. A Figura 2 mostra a distribuição dos elétrons por energia e por divergência angular do grupo; a imagem acima corresponde a apenas um estágio (injetor sem acelerador), a imagem abaixo corresponde a um tandem completo. Em ambos os casos, a energia do elétron é mostrada horizontalmente e a discrepância angular em miliradianos é mostrada verticalmente (um ângulo de um grau é de aproximadamente 17 mrad). As fotos acima e abaixo são surpreendentemente diferentes. Após o estágio injetor, os elétrons são acelerados até aproximadamente 100 MeV, mas sua energia está espalhada por uma ampla faixa. Porém, após passar pelo segundo estágio do acelerador, o feixe não só adquire uma energia de quase 0,5 GeV, mas também se torna muito mais compacto, tanto em energia quanto em ângulos.

Os autores de ambos os artigos observam que o esquema atual pode ser ainda mais otimizado, atingindo energias de 10 GeV. Assim, a obtenção de grupos compactos de elétrons multi-HeV em um experimento puramente óptico e praticamente de mesa parece ser uma questão de futuro próximo. É claro que tal acelerador de laser ainda não pode competir com os grandes colisores atuais em termos de luminosidade (ou seja, intensidade do feixe). Contudo, tal viga, produzida numa instalação muito compacta e relativamente barata, tem muitas outras aplicações, tanto científicas como aplicadas. Lembremos que hoje existem cerca de 20 mil aceleradores no mundo, dos quais apenas cerca de cem estão envolvidos no estudo da física do micromundo, e o restante é usado para fins biomédicos, na ciência dos materiais, em sistemas de segurança, etc. Portanto, qualquer novo tipo de acelerador de partículas compacto será imediatamente adotado (ver, por exemplo, a notícia O primeiro uso de aceleradores a laser será médico).

Fontes:
1) J. S. Liu et al, Acelerador Wakefield a laser em cascata totalmente óptico usando injeção induzida por ionização // Física. Rev. Vamos. 107, 035001 (2011).
2) B. B. Pollock et al, Demonstração de uma propagação estreita de energia, feixe de elétrons de ~0,5GeV de um acelerador Wakefield a laser de dois estágios // Física. Rev. Vamos. 107, 045001 (2011).

Este método produziu experimentalmente feixes de elétrons com energias superiores a 8 GeV.

Aceleração direta por campo laser

A aceleração direta por um campo de laser é ineficaz, pois em um problema estritamente unidimensional, um elétron que entra no campo de um pulso de laser, após sair dele, tem a mesma energia do início, ou seja, é necessário realizar aceleração em campos altamente focados nos quais o componente longitudinal do campo elétrico é significativo, mas em tais campos a velocidade de fase da onda ao longo do eixo de propagação é maior que a velocidade da luz, de modo que os elétrons ficam rapidamente para trás do campo em aceleração. Para compensar este último efeito, foi proposto realizar aceleração em um gás, onde a constante dielétrica relativa está acima da unidade e a velocidade da fase diminui. Porém, neste caso, uma limitação significativa é que já em intensidades de radiação da ordem de 10 14 W/cm² o gás é ionizado, formando plasma, o que leva à desfocagem do feixe laser. Experimentalmente, este método demonstrou a modulação de um feixe de elétrons de 3,7 MeV com energia de 40 MeV.

Aceleração em uma onda de plasma

Quando um pulso de laser suficientemente intenso se propaga em um gás, ele se ioniza com a formação de um plasma de desequilíbrio, no qual, devido ao efeito ponderomotivo da radiação laser, é possível excitar a chamada onda de esteira - uma onda de Langmuir, viajando após o pulso. Esta onda tem fases nas quais o campo elétrico longitudinal está acelerando para os elétrons que viajam junto com a onda. Como a velocidade de fase da onda longitudinal é igual à velocidade de grupo do pulso de laser no plasma, que é apenas um pouco menor que a velocidade da luz, os elétrons relativísticos podem permanecer na fase de aceleração por um longo tempo, adquirindo energia significativa. . Este método de aceleração de elétrons foi proposto pela primeira vez em 1979.

À medida que a intensidade do pulso de laser aumenta, a amplitude da onda de plasma excitada aumenta e, como consequência, a taxa de aceleração aumenta. Em intensidades suficientemente altas, a onda de plasma torna-se não linear e eventualmente entra em colapso. Nesse caso, é possível um regime altamente não linear de propagação do pulso de laser no plasma - o chamado regime de bolha (ou bolha), no qual uma cavidade semelhante a uma bolha é formada atrás do pulso de laser, quase completamente desprovida de elétrons. Esta cavidade também contém um campo elétrico longitudinal que pode efetivamente acelerar os elétrons.

Experimentalmente, no modo de interação linear, foi obtido um feixe de elétrons, acelerado a energias da ordem de 1 GeV em um caminho de 3 cm de comprimento. Para compensar a divergência de difração do pulso de laser, neste caso, um guia de ondas na forma. de um capilar fino foi adicionalmente utilizado. Aumentar a potência do pulso de laser para o nível de petawatt tornou possível aumentar a energia do elétron para 2 GeV. Um aumento adicional na energia dos elétrons foi alcançado separando os processos de sua injeção na onda de plasma acelerada e no próprio processo de aceleração. Usando este método, em 2011 foram obtidos elétrons com energia de cerca de 0,5 GeV, e em 2013 o nível de 3 GeV foi ultrapassado, e o comprimento total do canal do acelerador foi de apenas 1,4 cm (4 mm - estágio de injeção, 1 cm - estágio de aceleração). Em 2014, os primeiros resultados experimentais sobre a aceleração de elétrons em um capilar de 9 cm de comprimento utilizando o laser BELLA foram obtidos no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Esses experimentos demonstraram aceleração para energias superiores a 4 GeV com um pulso de laser de 0,3 PW, um novo recorde. Em 2019, um novo recorde foi estabelecido ali - com potência de pico de pulso de laser de 0,85 PW, elétrons com energia de cerca de 7,8 GeV foram obtidos em um capilar de 20 cm de comprimento.

No modo de interação não linear, a energia máxima alcançada foi de 1,45 GeV em um caminho de 1,3 cm de comprimento. Um pulso de laser com potência de 110 TW foi utilizado no experimento.

Veja também

Notas

1. R. Joel Inglaterra et al. Aceleradores dielétricos de laser (Inglês) // Rev. Mod. Física. . - 2014. - Vol. 86. - P. 1337. - DOI:10.1103/RevModPhys.86.1337.
2. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall. Aceleração a laser de elétrons no vácuo (Inglês) // Física. Rev. E. - 1995. - Vol. 52. - Página 5443.
3. T. Tajima, JM Dawson. Acelerador de elétrons a laser (inglês) // Física. Rev. Vamos. . - 1979. - Vol. 43. -Pág. 267.
4. WP Leemans et al. Feixes de elétrons GeV de um acelerador em escala centimétrica (inglês) // Nature Physics. - 2006. - Vol. 2. - S. 696-699.
5. Xiaoming Wang et al. Aceleração quase monoenergética de elétrons por laser-plasma até 2 GeV (Inglês) // Nature Communications. - 2013. - Vol. 4. - S. 1988.
6. BB Pollock et al. Demonstração de uma propagação estreita de energia, feixe de elétrons de ∼0,5 GeV de um acelerador Wakefield a laser de dois estágios (inglês) // Phys. Rev. Vamos. . - 2011. - Vol. 107. - P.045001.
7. Hyung Taek Kim e outros. Aprimoramento da energia eletrônica para o regime multi-GeV por um acelerador laser-Wakefield de estágio duplo bombeado por pulsos de laser Petawatt // Phys. Rev. Vamos. . - 2013. - Vol. 111. - Página 165002. - DOI:10.1103/PhysRevLett.111.165002. -arXiv:1307.4159.
8. W. P. Leemans et al. Feixes de elétrons multi-GeV de pulsos de laser subpetawatt guiados por descarga capilar no regime de auto-armadilhamento // Phys. Rev. Vamos. . - 2014. - Vol. 113. -Pág. 245002. - DOI:10.1103/PhysRevLett.113.245002.
9. AJ Gonsalves et al. Orientação a laser Petawatt e aceleração de feixe de elétrons para 8 GeV em um guia de onda de descarga capilar aquecido a laser // Phys. Rev. Vamos. . - 2019. - Vol. 122. - P.084801. - DOI:10.1103/PhysRevLett.122.084801.
10. CE Clayton et al. Aceleração autoguiada de Wakefield a laser além de 1 GeV usando injeção induzida por ionização // Phys. Rev. Vamos. . - 2010. - Vol. 105. - P. 105003.

Literatura

Científico

• E. Esarey, CB Schroeder, WP Leemans.

Olá, meu nome é Alexander e sou físico. Visto de fora, isso pode parecer uma frase, mas na verdade é. Acontece que estou envolvido em pesquisas fundamentais em física, ou seja, estou estudando partículas carregadas aceleradas: prótons e todas aquelas maiores - isto é, íons positivos. Na minha pesquisa, não uso grandes aceleradores como o LHC, mas disparo um laser contra a folha e um pulso de prótons sai da folha.

Agora algumas palavras sobre mim. Me formei na Faculdade de Fotônica e Informática Óptica do ITMO em São Petersburgo, depois fiz um programa de mestrado na Universidade Aalto (na Finlândia) em micro e nanotecnologia, e depois desisti de todas essas pequenas coisas, microscópios e especialmente a sala limpa. E entrei na ciência fundamental com grandes lasers. Agora estou fazendo pós-graduação no sudoeste da Suécia, na cidade de Lund, na universidade de mesmo nome. Trata-se de um tiro de canhão vindo de Copenhague.

Assim que acelerei, ele voou

Os aceleradores de partículas carregadas em si não são uma ideia nova, mas o método pelo qual eu os acelero é relativamente novo, mais ou menos da mesma idade que eu. Permite reduzir significativamente o tamanho do acelerador e seu custo, incluindo o custo de operação e manutenção. A diferença entre os dois tipos pode ser apreciada na imagem abaixo.


À esquerda está um acelerador linear eletrostático (ligeiramente desmontado); À direita está meu pequeno mas orgulhoso criador de furos em papel alumínio

Vamos comparar esses dois exemplos de gênio físico sombrio com mais detalhes. Olhe para o acelerador esquerdo e para o direito, depois novamente para o esquerdo e novamente para o direito: sim, o meu está a cavalo (brincadeira - nota do autor). Na verdade, o meu tem apenas um metro de diâmetro e os próprios prótons são acelerados a partir de um pedaço de papel alumínio. Seu suporte está localizado exatamente no meio do círculo, com uma linda saia de cobre. Esta é muito mais simples e compacta do que a amostra da esquerda, que tem o tamanho de um ônibus e, além disso, está cheia de gás asfixiante. Assim, tendo se afirmado o suficiente (na física muitas vezes acontece que quanto menos melhor), você pode recorrer à física do processo de aceleração.

Como aceleramos partículas carregadas, é mais lógico fazer isso com um campo elétrico. Caracterizaremos o campo por tensão. Para quem depois da escola foi para a frente e para trás, lembro: intensidade do campo elétrico é uma grandeza física vetorial que caracteriza o campo elétrico em um determinado ponto e é numericamente igual à razão entre a força que atua sobre uma carga pontual estacionária colocada em um determinado ponto do campo e a magnitude dessa carga(copiar e colar sujo da Wikipedia). Tem a dimensão V/m. Voltando à comparação, o acelerador da esquerda acelera prótons a 4 MeV (Megaelétron-volt), ou seja, 2,77 * 10 7 m/s ou 9,2% da velocidade da luz. Como a carga do próton é 1 e o comprimento do acelerador é de dois metros, a intensidade do campo será de 2 MV/m. Aqui assumimos que em todos os lugares o campo está direcionado em uma direção e, em geral, estávamos muito próximos da verdade. O elegante acelerador tem uma intensidade de campo da ordem de vários TV/m, ou seja, cerca de um milhão de vezes maior. Ainda assim, vale a pena reconhecer que o seu comprimento é de apenas alguns mícrons.

Então, agora descobrimos qual campo é mais íngreme. É hora de nos voltarmos para os mecanismos físicos e de engenharia que criam esse campo. No caso de um acelerador convencional, existem duas folhas de metal, uma das quais com carga negativa e a segunda sem carga. Lembre-se do experimento escolar sobre esfregar um bastão de ébano com um pedaço de lã. Aqui o princípio é absolutamente o mesmo, mas a execução é muito mais complicada. Se você acelerar prótons da folha, o campo será criado por elétrons, os elétrons voarão para fora do plasma quente, o plasma será produzido e aquecido por um laser, e o resto da postagem é sobre tudo isso.

Você quer que eu bata nele e ele ficará manchado de roxo?

Se você bater com força suficiente, poderá ver muitos fenômenos físicos maravilhosos. Foi assim que os caras de Harvard conseguiram hidrogênio metálico e depois o perderam.

No meu caso, atiro o florete com um laser. Descreverei isso com mais detalhes depois de explicar a física não trivial dos processos de obtenção de matéria densa e quente, que é o nome científico do plasma, que é o culpado do triunfo da aceleração dos meus prótons. Agora vamos conversar sobre tudo em ordem.

O laser gera pulsos com comprimento de onda de 800 nm e 35 fs com duração de (10 -15 s), ou seja, o comprimento real do pulso no vácuo é de aproximadamente 10 mícrons. Este impulso contém aproximadamente 2 J de energia, o que é muita. Se você pegar esse pulso e focalizá-lo na folha em um ponto redondo de 5 mícrons de diâmetro, então a intensidade será de cerca de 10 20 W/cm 2. Isso já é uma quantia indecente. Novamente, uma pequena comparação: o aço pode ser cortado com segurança a uma intensidade de 10 8 W/cm 2 (ou mais).

Na verdade, o pulso de laser, devido ao design do amplificador, possui um pedestal anterior com duração de aproximadamente 500 ps, ​​e esse mesmo pedestal ajuda muito a acelerar bem os prótons.

Ionizado significa armado

Vamos lembrar o que acontece com a luz quando ela entra na matéria. A energia deve ser conservada, o que significa que existem apenas três eventos possíveis: reflexão, transmissão e absorção. Em uma vida difícil, todos os itens acima estão presentes ao mesmo tempo. Numa fase muito inicial, estamos interessados ​​em aquisições.

Então, temos um pedestal, que também focamos perfeitamente em um pedaço de papel alumínio, e fica perfeitamente absorvido ali. Para não entrarmos nas complexidades da física do estado sólido, consideremos a absorção de um átomo independente. Da mecânica quântica sabemos que apenas um fóton pode ser absorvido, cuja energia é exatamente igual à energia de transição de um elétron de um estado para outro. Se a energia do fóton for maior que a energia de ionização (ou seja, enviar um elétron do ninho pai em uma jornada livre), então o excesso se transformará na energia cinética do elétron, tudo é simples. No nosso caso, os fótons com comprimento de onda de 800 nm não têm energia suficiente (esta é a energia de um fóton, não do pulso inteiro!) para ionizar o alvo, mas aqui a física vem em nosso auxílio. Lembra que mencionei a alta intensidade de radiação? Se, além disso, lembrarmos que a luz pode ser representada como um fluxo de fótons, e a intensidade é diretamente proporcional a ela, verifica-se que o fluxo de fótons é muito grande. E se o fluxo for tão grande, então há uma grande probabilidade de que vários fótons cheguem ao mesmo lugar e ao mesmo tempo, e quando suas energias forem absorvidas, eles se somarão e a ionização ainda ocorrerá. Esse fenômeno, curiosamente, é chamado de ionização multifóton e o usamos regularmente.

No momento, temos que os elétrons foram arrancados com sucesso, o que significa que o pulso principal chega ao plasma finalizado e começa a aquecê-lo.

Noções básicas de física de plasma (não inventei uma piada, ah)

Antes do aquecimento, vale falar um pouco sobre o plasma como estado da matéria. O plasma é como um gás, apenas os elétrons estão separados e os núcleos estão separados. Consideraremos nosso plasma um gás quase ideal, mas composto por elétrons.

Nossa principal característica do plasma será sua densidade (o número de elétrons por unidade de volume), que denotaremos posteriormente como $n_e$ (não confundir com o índice de refração!), e a temperatura desses mesmos elétrons, ou seja , sua velocidade média de movimento. Isso é descrito pela distribuição de Boltzmann da mesma forma que no curso escolar de física:

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

do qual segue facilmente

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

onde $inline$k_B$inline$ é a constante de Boltzmann, $inline$T_e$inline$ é a temperatura do elétron e $inline$m_e$inline$ é a massa do elétron. Sim, aqui consideramos um caso unidimensional, mas na verdade não precisamos de mais para descrever nossos processos.

Agora aplicaremos um campo elétrico ao plasma já descrito. Deixe-me lembrá-lo de que o plasma consiste em partículas carregadas, o que significa que em uma determinada densidade a alguma distância do local onde aplicamos o campo, os elétrons irão obscurecer (proteger) a fonte (uma multidão de pequenos Matrosovs - nota do autor). A distância necessária para isso é chamada de comprimento de Debye e é dada pela equação

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

Aqui $inline$q_e$inline$ é obviamente a carga do elétron, e $inline$\epsilon_0$inline$ é a constante dielétrica do vácuo, uma constante fundamental. Vamos analisar um pouco esta fórmula para ver a física simples do processo por trás dela. Ao aumentar a densidade dos elétrons, reduzimos a distância média entre eles, como resultado, em uma distância menor coletaremos elétrons suficientes para blindar completamente nosso campo. Por outro lado, quanto maior a temperatura, maior a distância média entre os elétrons.

Devido ao efeito de blindagem e a uma velocidade média de movimento do elétron muito específica (dependendo da temperatura), o plasma não reage instantaneamente a um campo que chega repentinamente. É lógico supor que o tempo de resposta esteja relacionado ao comprimento de Debye e à velocidade do movimento dos elétrons. Uma boa analogia é atirar uma pedra num lago. Comparada com todo o lago, a pedra afeta pontualmente a superfície da água. Parte da água muda imediatamente (é aqui que espirrou) e então as ondas começam a se espalhar pela superfície da água. No caso do plasma, o campo elétrico que aparece repentinamente é a rocha. O tamanho do respingo é determinado pelo comprimento da blindagem (o campo não atua além dela), e a propagação das ondas depende de quão próximos os elétrons estão uns dos outros. Podemos introduzir uma característica como o tempo de resposta do plasma:

$inline$ t_D = \lambda_D / v $inline$ . Em geral, mostra-nos o tempo durante o qual a informação sobre uma mudança no campo aplicado chegará aos elétrons que, por assim dizer, não viram esse campo.

Como somos físicos, não gostamos muito do tempo. É muito mais conveniente trabalhar com frequências, por isso apresentaremos o conceito de frequência natural do plasma. Este valor nos mostrará quantas vezes podemos mudar o campo para que todo o acúmulo de elétrons, que orgulhosamente chamamos de plasma, tenha tempo de responder a essas mudanças. Bem, o que poderia ser mais simples? Vamos dividir um pelo tempo de resposta e aqui está - frequência:

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

É fácil ver que a frequência natural das oscilações do plasma depende da densidade eletrônica. Quanto mais elétrons, maior será a frequência. Podemos fazer outra analogia, mas desta vez com um pêndulo de mola. Uma maior densidade de elétrons nos diz que eles estão mais próximos uns dos outros e, portanto, interagem mais fortemente. Suponhamos que sua interação seja diretamente proporcional à elasticidade da mola do pêndulo. E quanto maior for a elasticidade, maior será a frequência de vibração.

A frequência natural de um plasma também determina o seu índice de refração. Se escrevermos honestamente a equação de onda para o movimento coletivo dos elétrons em um plasma e depois assumirmos pequenas mudanças na densidade dos elétrons (não faremos isso aqui, porque é chato), então o índice de refração será definido da seguinte forma:

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

Aqui $inline$\omega_0$inline$ é a frequência circular do campo elétrico aplicado. Está em rad/s e não em Hz!

Vejamos atentamente esta expressão. Como físico experimental, não gosto de números reais, mas tento ignorar os números complexos, especialmente o índice de refração complexo. Bem, como pode a luz, afinal, propagar-se através da matéria? eu vezes mais lento do que no vácuo? Isso é algum tipo de bobagem! Na verdade não, mas falaremos mais sobre isso em outra ocasião. Se $inline$\omega_0 > \omega_p$inline$ , então a expressão é válida e o campo elétrico alternado se propaga dentro do nosso plasma. Todos estão felizes e chamaremos esse plasma de insuficientemente denso. No entanto, se $inline$\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.

E como sobremesa $inline$\omega_0 = \omega_p$inline$ . Este é um plasma de densidade crítica. Neste caso, ele começa a ressoar com o campo elétrico alternado forçante (fornecido por nós). Para um caso tão especial, você pode até introduzir o conceito de densidade crítica e defini-lo assim:

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

Naturalmente, para cada frequência do campo condutor a densidade crítica é diferente.

CHOQUE! Aquecimento plasma! Para fazer isso você só precisa...

No nosso caso, focaremos apenas em um mecanismo de aquecimento, que predomina no experimento.

Para começar, deixemos que o plasma que formamos como pedestal tenha um gradiente de densidade suave, neste caso temos aquecimento por absorção ressonante. Uma ilustração disso está na imagem abaixo.

Ilustração do processo de absorção ressonante: a) distribuição de densidade eletrônica próxima à parte frontal do alvo; b) refração de um feixe de laser em um plasma com gradiente de densidade; c) campo elétrico no plasma

Assim, o laser brilha em nosso plasma em um ângulo de talvez 45 graus e ao mesmo tempo é polarizado no plano de incidência. A polarização é indicada por setas vermelhas na figura. Nosso plasma tem um gradiente de densidade, o que significa que seu índice de refração está mudando continuamente (aqui, crescendo). Em algum momento acontecerá que uma determinada camada de plasma do nosso laser se tornará “rotativa” e será refletida, ou seja, se propagará paralelamente à camada crítica por algum tempo. É importante ressaltar que ele irá girar antes de atingir a camada com densidade crítica, pois o lançamos em um ângulo normal. A densidade do plasma na qual o feixe de laser girará é dada pela seguinte equação:

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

onde $inline$n_c$inline$ é a densidade crítica e $inline$\alpha$inline$ é o ângulo de incidência da luz.

Agora a diversão começa. Lembremos que a luz não é apenas um fluxo de fótons, mas também uma onda eletromagnética, ou seja, nosso pulso possui um campo elétrico que oscila harmoniosamente com grande amplitude. Quando a luz se propaga paralelamente à camada crítica, forma-se uma onda estacionária que não muda com o tempo (naturalmente, enquanto o pulso do laser está no lugar). O campo desta onda, de fato, penetra além da camada de plasma para onde a luz se volta e atinge a camada crítica. Deixe-me lembrá-lo de que a frequência das oscilações do plasma na camada crítica é igual à frequência da radiação laser, o que significa que ocorre ressonância. Quando o laser para de brilhar, a energia que ele transmite aos elétrons da camada crítica é distribuída por meio de impactos nos elétrons restantes, o que significa que o plasma aqueceu.

Então, onde exatamente está a aceleração?

Agora que aquecemos completamente os elétrons no plasma e o laser não brilha mais, podemos dizer como os prótons são acelerados. Para fazer isso, veja as fotos abaixo. Até este momento, eu nunca disse de onde vêm os prótons. Naturalmente, eles não aparecem nos núcleos do material laminado. Como não tomamos muito cuidado e não usamos luvas (nossas mãos suam muito nelas), água e hidrocarbonetos vão parar na superfície do papel alumínio. O hidrogênio ionizado é nossa fonte inestimável de prótons. Foi verificado: se retirarmos as impurezas, não haverá prótons.

	Formação de plasma pelo pedestal, ou seja, ionização da parte frontal do alvo. Folha com espessura de 0,4 a 12 mícrons é geralmente usada como alvo.
	Aqui a parte principal do pulso interage com o plasma criado e o aquece. Alguns elétrons são tão bem aquecidos que voam pela parte de trás do alvo.
	Quando elétrons suficientes saem, a carga positiva restante na folha os puxa de volta. No plasma, eles aquecem novamente e voam. Por algum tempo, o equilíbrio dinâmico é estabelecido. O campo elétrico é direcionado perpendicularmente ao alvo
	Este mesmo campo elétrico levanta prótons e outros íons (dependendo do que estava lá) da superfície posterior do alvo e depois os acelera. No momento em que os íons aceleram, a nuvem de elétrons já entrou em colapso e todas as partículas começam a voar juntas. E então começamos a acreditar que eles não interagem mais.

Dividir para reinar

No momento, a posição é esta: o laser não brilha há muito tempo, há um buraco na folha, prótons e elétrons voam juntos do alvo normalmente para sua superfície traseira. Não precisamos de elétrons, então um ímã vem em nosso auxílio aqui. Quando um feixe de partículas carregadas voa através de um campo magnético, as forças de Lorentz desviam cada partícula proporcionalmente à sua velocidade e carga. Conseqüentemente, prótons e elétrons se desviarão em direções diferentes e simplesmente não olharemos na direção dos elétrons. Aliás, quanto maior a energia do próton (ou seja, sua velocidade), menos ele se desviará. Isso significa que instalando uma tela sensível aos prótons, poderemos ver as energias dos prótons acelerados. Mais algumas comparações em números: um ímã que temos é permanente e cria um campo de cerca de 0,75 Tesla; em máquinas de ressonância magnética, o campo magnético é de 1,5 a 3 Tesla.

Além disso, podemos observar o perfil de um feixe de prótons voadores. A propósito, é redondo. E se também pudermos medir a energia dos prótons em cada parte do feixe, seremos capazes de restaurar inequivocamente a forma da nuvem de elétrons que acelerou nossos prótons.

Em vez de uma conclusão

Pode surgir uma questão justa sobre por que tudo isso é necessário. Minha resposta favorita é exatamente assim. Esta é uma ciência fundamental e tentar encontrar aplicações imediatas para ela é inútil. Talvez em alguns anos encontre aplicação no tratamento do câncer ou na fusão termonuclear, mas por enquanto a principal tarefa é aprender algo novo sobre o mundo que nos rodeia, só porque é interessante.

Para aqueles especialmente curiosos sobre o próprio laser e sua estrutura

Como prometido, aqui falarei sobre o laser com o qual faço ciência. Já mencionei algumas características do nosso laser, mas não falei sobre a taxa de repetição do pulso. É aproximadamente 80 MHz. Esta frequência é determinada apenas pelo comprimento do ressonador e é o inverso do tempo que a luz leva para viajar para frente e para trás através do ressonador. Olhando para o futuro, direi que é impraticável amplificar pulsos nessa frequência, é incrivelmente difícil do ponto de vista da engenharia e você não terá eletricidade suficiente.

Não entrarei em muitos detalhes sobre a teoria do laser. Os princípios básicos de onde vem a radiação laser estão perfeitamente descritos no artigo da Wikipedia sobre emissão estimulada. Para ser muito breve, a radiação laser requer três componentes: um meio ativo (a partir do qual os fótons são emitidos), uma bomba (mantém o meio ativo em um estado em que há mais átomos excitados que podem emitir) e um ressonador (isto garante que os fótons se copiem durante passagens repetidas pelo meio ativo). Se você juntar todos os componentes e orar, o laser começará a brilhar, mas continuamente. Se você tentar um pouco mais, poderá fazer com que ele gere pulsos, inclusive os curtos como na minha instalação. Para os mais curiosos, o método de geração de pulsos de femtossegundos é chamado de bloqueio de modo passivo. E agora uma pequena característica de pulsos muito curtos. Muitas vezes acredita-se que um laser brilha em um único comprimento de onda e, no modo contínuo, bem como com pulsos longos, isso pode até ser chamado de verdade. Na verdade, devido a uma série de processos físicos complexos, que certamente não discutiremos aqui, a forma temporal do pulso e seu espectro estão relacionados pela transformada de Fourier. Ou seja, quanto mais curto o pulso, mais amplo é o seu espectro.

Digamos que lançamos um oscilador mestre, mas a energia de seus pulsos é de vários nJ. Lembra que no início eu disse que a energia do pulso que chega ao alvo é cerca de 2 J? Então, isso é um bilhão de vezes mais. Isso significa que o impulso precisa ser fortalecido, e falaremos sobre isso com mais detalhes.

Pulsos curtos são geralmente caracterizados por potências de pico muito grandes (lembra, dividir a energia por tempo?), E isso traz uma série de complicações. Se você direcionar radiação para o meio com alta intensidade (potência por unidade de área), ela queimará, mas se o meio ativo tiver queimado, nada será amplificado. É por isso que escolhemos uma taxa de repetição de 10 Hz e apenas as amplificamos. Como existem muitos equipamentos e todos operam exatamente nessa frequência, temos uma caixa especial que distribui esses 10 Hz para todo o hardware, e para cada dispositivo você pode selecionar o atraso no recebimento do sinal com precisão de vários picossegundos.

Existem duas maneiras de lidar com alta intensidade. Como você pode facilmente adivinhar pela sua definição, você precisa aumentar a área ou reduzir a potência. Com o primeiro tudo fica muito claro, mas o segundo método foi um avanço na tecnologia laser no século XX. Se o impulso for inicialmente muito curto, ele pode ser esticado, fortalecido e depois comprimido novamente.

Para entender como fazer isso, vejamos os fundamentos da óptica. Para diferentes comprimentos de onda, os índices de refração no meio são diferentes, o que significa (pela definição do índice de refração, aliás) que à medida que o índice de refração aumenta, a velocidade de propagação da luz no meio diminui. E assim lançamos nosso pulso no ambiente, e sua parte vermelha passou pelo material mais rápido que a azul, ou seja, o pulso ficou mais longo e sua potência de pico diminuiu. Viva, agora nada está pegando fogo! Para um conhecimento mais profundo nesta área, recomendo pesquisar no Google e ler sobre amplificação de pulso chirped (também conhecida como Chirped Pulse Amplification ou CPA).

Basta fortalecer o impulso, comprimir, focar e mandar fazer um furo no papel alumínio!

E agora algumas fotos com legendas.

Na verdade, uma foto do laboratório. A coisa cilíndrica no meio é uma câmara de vácuo, porque os prótons voam muito mal no ar e colidem constantemente com as moléculas de ar. Bem, em geral, tudo parece mais legal com o aspirador. A coisa azul à direita é uma parede de chumbo, para não adquirir acidentalmente superpoderes e enjoos de radiação. O laser em si está localizado atrás da porta à esquerda com o sinal amarelo Achtung

E aqui está a própria parede de perfil. Sim, está cheio de chumbo por dentro, como o Ursinho Pooh.

Nosso posto de comando está localizado atrás do muro quando atiramos, por razões de segurança devemos sentar atrás dele. É claro que não morreremos por causa da radiação, mas podemos facilmente ficar cegos. São cinco monitores para dois computadores, é muito fácil se confundir com todo esse lixo. Um dos computadores tem alto-falantes, então enquanto você trabalha na masmorra você pode ouvir Loboda e o Big Russian Boss por motivos inexplicáveis, meus colegas também gostam deles; A propósito, apenas metade deles são suecos.

Ainda temos uma porta de correr em chumbo. É acionado hidraulicamente.

Aqui estamos dentro da sala com o laser. Esta é uma fotografia da primeira mesa na qual o pulso de laser é gerado. Aqui ele é pré-amplificado (aproximadamente 1000 vezes) e esticado. Na prateleira acima há um monte de eletrônicos muito importantes e necessários, sem os quais o laser não funcionará.

Esta é a segunda tabela em que a radiação é amplificada após a primeira. Este amplificador é nosso principal carro-chefe - aumenta a energia em quarenta mil vezes. Na verdade, ele contém dois amplificadores de designs diferentes: multipassagem e regenerativo. No primeiro, o pulso simplesmente passa várias vezes pelo meio ativo. O segundo tem seu próprio ressonador. Usando portas eletro-ópticas (células Pockels), um pulso é lançado em seu interior, passa por lá várias vezes até que o ganho fique saturado e depois é liberado ainda mais. É aqui que a velocidade e a precisão de abertura e fechamento das venezianas são tão importantes.

Esta é a terceira mesa, há um ganho de cerca de 15 vezes. A torre do meio, que se destaca acima da tampa, é um criostato. Ele contém um cristal robusto no vácuo, que é resfriado com hélio líquido a uma temperatura de -190 graus Celsius.

Esta é uma sala separada que contém as fontes de alimentação de bombeamento da terceira mesa e as bombas de vácuo principais. A eficiência da saída do sistema é razoável, aproximadamente 0,1%. De alguma forma calculei que a energia elétrica consumida era de aproximadamente 160 kW. São aproximadamente 960 placas de vídeo que podem ser alimentadas e minhas, minhas, minhas. Essa é a quantidade de eletricidade consumida ao amplificar a uma taxa de repetição de 10 Hz. Se tentássemos aumentar 80 MHz, o consumo aumentaria 8 milhões de vezes.

Obrigado pela sua atenção!