Лазерно-плазменные источники

Принципы образования лазерно-плазменного излучения

Лазерно-плазменные источники основаны на взаимодействии интенсивного лазерного импульса с плотной плазмой. При воздействии сверхкратких (фемтосекундных) и высокоинтенсивных лазерных импульсов на тонкие металлические или газовые мишени возникает резкая ионизация вещества и формирование плазмы с высокой температурой электронов и ионов. Электроны, ускоряемые в электромагнитных полях лазерного импульса, приобретают релятивистские скорости и становятся источниками широкополосного излучения, включающего рентгеновскую и даже гамма-часть спектра.

Ключевым механизмом генерации излучения является непосредственное ускорение электронов в лазерном поле и их последующее взаимодействие с плотностью плазмы. В зависимости от конфигурации системы различают несколько режимов излучения:

  • Лазерно-всплесковый (bremsstrahlung) режим, когда электроны при торможении в полях ионов испускают рентгеновские фотоны.
  • Синхротроноподобный режим, характерный для электронов, ускоряемых в лазерных волновых структурах с высокой кривизной траектории.
  • Компактные лазерно-плазменные ускорители, в которых релятивистские электроны создают коллинеарное когерентное излучение.

Структура и параметры лазерно-плазменных источников

Типичный лазерно-плазменный источник включает следующие ключевые элементы:

  1. Лазерный комплекс

    • Импульсы с энергией от десятков мДж до нескольких Дж.
    • Продолжительность импульса в диапазоне фемтосекунд–пикосекунд.
    • Интенсивность на мишени 1018 − 1021 Вт/см2.

  2. Плазменная мишень

    • Газовые струи, твердотельные пленки или фольги толщиной от микро- до наносекунд.
    • Высокая плотность электронов ne ∼ 1019 − 1021 см−3.

  3. Оптическая система и диагностика

    • Фокусировка лазера с использованием офтальмических и параболических зеркал.
    • Спектрометры, детекторы рентгеновского излучения, пироэлектрические и сцинтилляционные камеры.

Основные характеристики излучения включают:

  • Широкий спектральный диапазон: от мягкого рентгена (0,1–10 кэВ) до твёрдого рентгена (10–100 кэВ).
  • Высокая яркость: 1018 − 1020 фотонов/с/мм2/мрад2/0.1%Δλ.
  • Короткая длительность импульса: порядка фемтосекунд–пикосекунд, что делает источник пригодным для исследования ультрабыстрых процессов.
  • Небольшой источник: размер области излучения порядка нескольких микрометров, что обеспечивает высокую пространственную когерентность.

Механизмы ускорения и генерации излучения

1. Лазерно-плазменное ускорение электронов (LWFA, Laser Wakefield Acceleration) При прохождении интенсивного лазерного импульса через низкоплотную плазму возникает электростатическая волна, в которой формируются «плоские» колебания электронов. Электроны могут захватываться и ускоряться в поле волны, достигая энергии до десятков–сотен МэВ за миллиметры пути.

2. Бетатронное излучение Релятивистские электроны, движущиеся по криволинейным траекториям в плазменных каналах, излучают синхротроноподобное рентгеновское излучение. Основные параметры:

  • Частота излучения ωc ∼ γ2ωβ, где γ — фактор Лоренца электрона, ωβ — частота бетатронного колебания.
  • Угол расходимости излучения θ ∼ 1/γ.

3. Компактные рентгеновские источники на основе твердых мишеней При взаимодействии лазера с тонкими фольгами происходит генерация высокоэнергетических электронов, которые тормозятся в плотной среде и создают bremsstrahlung-излучение. Энергия фотоны может достигать сотен кэВ, а спектр близок к непрерывному.

Диагностика и контроль параметров

Для оптимизации работы источника применяется комплекс диагностических методов:

  • Спектроскопия рентгеновского излучения: позволяет определять распределение энергии фотонов и максимальные энергии.
  • Камеры на основе фотолюминесцентных кристаллов: дают пространственное распределение пучка.
  • Детекторы времени пролета и пироэлектрические датчики: фиксируют длительность импульсов и общую энергию.
  • Рентгеновская интерферометрия: оценивает когерентность излучения.

Применение лазерно-плазменных источников

  • Ультрабыстрая физика: наблюдение электронных переходов и фазовых переходов с фемтосекундным разрешением.
  • Медицинская радиология: разработка компактных источников для дифференциальной диагностики.
  • Материаловедение: структурные исследования наноматериалов и биополимеров.
  • Фундаментальная физика: моделирование астрофизических процессов, создание релятивистских пучков для лабораторных экспериментов.

Преимущества и ограничения

Преимущества:

  • Компактность по сравнению с традиционными синхротронами.
  • Высокая яркость и короткая длительность импульсов.
  • Возможность получения спектра от мягкого до твердого рентгена.

Ограничения:

  • Необходимость высокоинтенсивных лазеров и сложной оптики.
  • Ограничение стабильности и повторяемости пучка.
  • Трудности масштабирования на мегаваттный режим работы для промышленных приложений.

Лазерно-плазменные источники представляют собой мост между лабораторными экспериментами и крупными синхротронными комплексами, открывая возможности для исследований, которые раньше требовали больших установок и дорогостоящей инфраструктуры.

Оглавление