Лазерное ускорение ионов

Ла́зерное ускоре́ние ио́нов — процесс ускорения ионного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Обычно процесс ускорения производится при облучении твердотельной мишени, однако существуют схемы ускорения ионов и в газовых мишенях. Наиболее перспективными считаются схемы ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов и световым давлением. При помощи лазерного излучения были получены ионы с энергиями до 55 МэВ.

Ускорение приповерхностным слоем нагретых электронов

Впервые ионы, ускоренные лазерным излучением, наблюдались экспериментально в 1999 году на лазерной установке Nova в Ливерморской национальной лаборатории. При облучении твердотельной мишени лазерным импульсом интенсивностью 10²⁰ Вт/см² с обратной стороны мишени наблюдалась генерация энергичных ионов, имеющих квазитепловой разброс по энергиям с максимальной энергией около 55 МэВ^[1].

Это явление было объяснено механизмом так называемого ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов. Его суть заключается в том, что лазерный импульс при взаимодействии с мишенью ионизирует её вещество с образование плазмы высокой плотности. При этом происходит разогрев электронов образовавшейся плазмы до релятивистских температур, сопровождающийся разлётом образовавшегося облака электронов далеко за пределы мишени. Разлёт приводит к появлению электростатического поля разделения зарядов, которое в свою очередь ускоряет ионы.

Для получения квазимоноэнергетических спектров ускоренных ионов было предложено использование композитных мишеней, представляющих собой тонкие фольги из тяжёлого металла (золота, платины и т. п.) с нанесённым на поверхность ультратонким слоем лёгких атомов — водорода или углерода. В процессе взаимодействия тяжёлые ионы остаются практически неподвижными, в то время как более лёгкие эффективно ускоряются, образуя пучок ионов приблизительно равной энергии.

Ускорение световым давлением

Альтернативной схемой ускорения является ускорение световым давлением. Её идея заключается в том, что при облучении сверхтонкой (порядка 10 нм) фольги, состоящей из лёгких элементов (например, водорода и/или углерода), световое давление, оказываемое сфокусированными лазерными импульсами мощностью более 10 ТВт, может оказаться достаточным для эффективного ускорения мишени как целого. Данный метод, предложенный в 2004 году^[2], был реализован экспериментально только в 2009 году. В эксперименте, проведённом в Институте Макса Борна, использовался лазерный импульс мощностью 20 ТВт с высоким контрастом, облучавший углеродные плёнки, толщина которых варьировалась от 2,9 нм до 40 нм. Оптимальный результат получился для плёнки толщиной 5,3 нм: были зарегистрированы шестизарядные ионы углерода, имевшие энергию около 30 МэВ^[3].

См. также

• Лазерное ускорение электронов

Примечания

1. ↑ S. P. Hatchett et al. Electron, photon, and ion beams from the relativistic interaction of Petawatt laser pulses with solid targets (англ.) // Phys. Plasmas. — 2000. — Т. 7. — С. 2076.
2. ↑ T. Esirkepov, M. Borghesi, S. V. Bulanov, G. Mourou, T. Tajima Highly Efficient Relativistic-Ion Generation in the Laser-Piston Regime (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2004. — Т. 92. — С. 175003.
3. ↑ A. Henig et al. Radiation-Pressure Acceleration of Ion Beams Driven by Circularly Polarized Laser Pulses (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2009. — Т. 103. — С. 245003.

Литература

Научная

• G. Mourou, T. Tajima, S. V. Bulanov Relativistic optics (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2006. — Т. 78. — С. 309—371.
• В. С. Беляев, В. П. Крайнов, В. С. Лисица, А. П. Матафонов Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями (рус.) // УФН. — 2009. — Т. 178. — С. 823.
• А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов, А. М. Сергеев Горизонты петаваттных лазерных комплексов // УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 9—32.
• Hiroyuki Daido, Mamiko Nishiuchi and Alexander S. Pirozhkov Review of laser-driven ion sources and their applications (англ.) // Rep. Prog. Phys.. — 2012. — Т. 75. — С. 056401. — DOI:10.1088/0034-4885/75/5/056401

Научно-популярная

• Л. М. Горбунов Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы? // Природа. — 2007. — № 4.
• В. Ю. Быченков Пятьдесят лет лазеру. Новый шаг — ускоритель на столе // Наука и жизнь. — 2010. — № 12.
• В. Ю. Быченков Экстремальный свет ускоряет ионы // Природа. — 2012. — № 2.