Лазерно-плазменные ускорители

Лазерно-плазменные ускорители основаны на использовании коллективных эффектов в плазме, возбуждаемых сверхмощным лазерным импульсом. В отличие от традиционных ускорителей, где ускоряющее поле создаётся резонансными радиочастотными структурами, здесь источником поля служит плазменная волна. Эта волна возникает в результате смещения электронов под действием светового давления и электрического поля лазерного импульса, что формирует область чередующихся зарядовых разделений.

Основное преимущество заключается в том, что плазма может поддерживать ускоряющие поля величиной порядка десятков и даже сотен гигаэлектронвольт на метр, что на несколько порядков превышает пределы для твёрдотельных и сверхпроводящих структур.

Механизм возбуждения плазменной волны

При прохождении мощного лазерного импульса через плазму его электрическое поле вытесняет электроны из области распространения. Образуется локализованный «пузырь» или «канал», внутри которого возникает сильное электрическое поле. Возникающая структура известна как wakefield (кильватерная волна).

  • Стадия выталкивания: фронт импульса отталкивает электроны от области высокой интенсивности.
  • Стадия обратного движения: электроны возвращаются под действием кулоновских сил, что вызывает колебания с плазменной частотой.
  • Формирование ускоряющего поля: на границах пузыря создаётся продольное электрическое поле, способное ускорять заряженные частицы.

Характеристическая плазменная частота:

$$ \omega_p = \sqrt{\frac{n_e e^2}{\varepsilon_0 m_e}} $$

где ne — плотность электронов, e — заряд электрона, me — масса электрона.

Максимальное ускоряющее поле в плазме можно оценить выражением:

$$ E_{max} \sim \frac{m_e c \omega_p}{e} $$

что при ne ∼ 1018 см−3 даёт поля порядка 100 ГэВ/м.

Режимы взаимодействия лазера с плазмой

Различают несколько режимов лазерно-плазменного ускорения:

  1. Линейный режим – малые интенсивности, возмущение плазмы слабое, ускоряющее поле относительно небольшое, но процесс хорошо описывается теорией малых колебаний.
  2. Нелинейный режим – при высоких интенсивностях формируются «пузырьковые» структуры (bubble regime), обладающие предельно высокими ускоряющими градиентами.
  3. Режим самофокусировки – мощность лазера превышает критическое значение, и пучок сжимается за счёт нелинейного показателя преломления плазмы. Это позволяет поддерживать длину взаимодействия и эффективное ускорение частиц.

Впрыск частиц

Для практического применения необходимо вводить в плазму заряженные частицы. Существует несколько способов:

  • Внешний впрыск – предварительно ускоренные электроны вводятся в область плазменной волны.
  • Самоинжекция – при высоких полях электроны плазмы захватываются волной и ускоряются.
  • Контролируемая инжекция – используется дополнительный лазерный импульс или модулированная плотность плазмы для точного захвата частиц.

Контролируемый впрыск является наиболее перспективным, так как позволяет получать пучки с низкой эмиттансой и малым энергетическим разбросом.

Энергетические характеристики и ограничения

Плазменный ускоритель обладает колоссальным градиентом ускорения, однако длина ускорения ограничена несколькими эффектами:

  • Дефазировка: ускоряемые электроны обгоняют фазовую скорость плазменной волны.
  • Истощение лазера: энергия импульса переходит в возбуждённую плазменную волну.
  • Дифракция луча: ограничивает эффективную длину взаимодействия.

Для преодоления этих ограничений применяются:

  • направляющие плазменные каналы,
  • последовательное каскадирование ускорительных стадий,
  • использование лазеров с более длительным временем когерентности и высокой мощностью.

Технологические достижения

Современные эксперименты достигли значительных успехов:

  • Ускорение электронов до энергий порядка нескольких гигаэлектронвольт на расстояниях сантиметрового масштаба.
  • Демонстрация стабильных пучков с энергией ~10 ГэВ в протяжённых плазменных каналах.
  • Использование лазеров петаваттного класса и систем со сверхкороткими импульсами (порядка десятков фемтосекунд).

Параллельно разрабатываются гибридные схемы, где лазерно-плазменный ускоритель используется как предускоритель для традиционных линейных коллайдеров.

Применения лазерно-плазменных ускорителей

  • Фундаментальные исследования: создание компактных источников высокоэнергетических электронов и гамма-квантов для изучения структуры материи.
  • Медицинская физика: разработка компактных установок для протонной и электронной терапии опухолей.
  • Рентгеновская лазерная физика: генерация когерентных источников жёсткого рентгена на основе синхротронного излучения ускоренных электронов.
  • Прикладные исследования: использование компактных ускорителей в материаловедении, неразрушающем контроле, радиационных технологиях.

Перспективы развития

Ключевые направления дальнейшего прогресса включают:

  • улучшение стабильности параметров ускоряемых пучков;
  • повышение повторяемости экспериментов;
  • масштабирование энергий до сотен гигаэлектронвольт для будущих коллайдеров;
  • разработку технологий управления фазой и структурой плазменной волны;
  • интеграцию с современными системами лазеров и радиочастотных ускорителей.
Оглавление