Оптимальні умови для максимально ефективної роботи лазерних плазмових прискорювачів 17.09.2017

Традиційні прискорювачі електронів давно вже стали одним з основних видів наукових інструментів, надзвичайно інтенсивні та короткі імпульси випромінювання, що виробляються синхротронами та лазерами на вільних електронах, дозволяють вченим вивчати матерію та процеси, що відбуваються на атомарному масштабі. Але навіть найменші прискорювачі електронів займають зараз площу, порівнянну з площею футбольного поля.

Альтернативним традиційним технологіям прискорення електрона є лазерно-плазмовий метод прискорення, які при невеликих розмірах прискорювача дозволяє отримати промінь розігнаних електронів високої інтенсивності. Але у прискорювачів такого типу є один недолік - за допомогою їх дуже важко отримати стійкий промінь електронів зі стабільною яскравістю. І цю проблему було вирішено фізиками з дослідницького центру HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), Німеччина, яким вдалося визначити низку параметрів створення оптимальних умов роботи лазерно-плазмового прискорювача електронів.

Принцип, що лежить в основі технології лазерно-плазмового прискорення, досить простий, промінь потужного лазера фокусується в середовищі газу, який під його впливом перетворюється на плазму, іонізований стан матерії. Енергія лазерного променя змушує електрони покинути межі їхніх "рідних" атомів, що створює в обсязі плазми свого роду "бульбашку" сильного електричного поля. Ця область електричного поля, яка рухається за імпульсом лазерного світла, є хвилею, що рухається майже зі швидкістю світла. І електрони, що потрапили в пастку на гребені цієї хвилі, також розганяються майже до швидкості світла. Вплив на ці електрони додатковим імпульсом лазерного світла справляє яскраві та надкороткі імпульси рентгена, за допомогою яких вчені "просвічують" досліджувані зразки різних матеріалів.

Сила вторинного рентгенівського випромінювання безпосередньо залежить кількості високоенергетичних електронів, задіяних у цьому процесі. Однак, при розгоні великої кількості електронів плазмова хвиля згасає внаслідок впливу ефектів, пов'язаних з цими електронами та їх електричним полем, яке, до того ж, згубно впливає на форму променя. Спотворена форма променя та нестабільність плазмової хвилі, призводять до того, що в промені присутні електрони з різним рівнем їхньої енергії та іншими параметрами.

"Але для того, щоб можна було використовувати електронний промінь для проведення високоточних експериментів, потрібен стабільний промінь, що складається з електронів з однаковими параметрами" - розповідає вчений-фізик Джурьєн Пітер Куперус (Jurjen Pieter Couperus), - "Всі електрони променя повинні бути у правильному місці у правильний час".

Вчені з HZDR провели ряд робіт, спрямованих на покращення якості електронного променя, що виробляється лазерно-плазмовими прискорювачами. Вони виявили, що добавка невеликої кількості азоту до гелію, який використовується для створення плазми, значно покращує ситуацію. "Ми можемо керувати кількістю електронів, що "катаються" на плазмовій хвилі, змінюючи концентрацію азоту" - пояснює Джурьєн Пітер Куперус, - "У своїх експериментах ми з'ясували, що ідеальним варіантом є випадок, коли плазмова хвиля несе електрони, сумарний заряд яких дорівнює рівно 300 пікокулонам. Навіть найменше відхилення від цієї величини в будь-який бік призводить до розсіювання енергії, що знижує якість променя, що виробляється".

Проведені обчислення показали, що для генерації високоякісного ще потрібно, щоб піковий струм руху електронів на гребені плазмової хвилі був не менше 50 кілоампер.

"Використовуючи надкороткі імпульси петаваттного лазера DRACO, ми зможемо забезпечити генерацію високоякісного електронного променя при піковому струмі в 150 кілоампер" - розповідає Джур'єн Пітер Куперус, - "Це перевищить можливості всіх сучасних великомасштабних прискорювачів. джерела рентгенівського випромінювання наступного покоління.