Лазерное ускорение электронов

Ла́зерное ускоре́ние электро́нов — процесс ускорения электронного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Возможно как ускорение непосредственно электромагнитным излучением, так и опосредованное ускорение в ленгмюровской волне, возбуждаемой лазерным импульсом, распространяющимся в плазме низкой плотности. Данным методом экспериментально получены пучки электронов с энергиями, превышающими 1 ГэВ.

Прямое ускорение лазерным полем

Прямое ускорение лазерным полем малоэффективно, поскольку в строго одномерной задаче электрон, попадающий в поле лазерного импульса, после выхода из него имеет ту же энергию, что и в начале, то есть требуется проводить ускорение в сильносфокусированных полях, в которых существенна продольная составляющая электрического поля, но в таких полях фазовая скорость волны вдоль оси распространения больше скорости света, поэтому электроны быстро отстают от ускоряющего поля. Чтобы компенсировать последний эффект предлагалось проводить ускорение в газе, где относительная диэлектрическая проницаемость выше единицы, и фазовая скорость уменьшается. Однако в этом случае существенным ограничением является то, что уже при интенсивностях излучения порядка 10¹⁴ Вт/см² газ ионизируется, образуя плазму, что приводит к дефокусировке лазерного пучка. Экспериментально таким методом была продемонстрирована модуляция в 3,7 МэВ пучка электронов, имевших энергию 40 МэВ^[1].

Ускорение в плазменной волне

При распространении достаточно интенсивного лазерного импульса в газе происходит его ионизация с образованием неравновесной плазмы, в которой за счёт пондеромоторного воздействия лазерного излучения возможно возбуждения так называемой кильватерной волны — ленгмюровской волны, бегущей вслед импульсу. В этой волне имеются фазы, в которых продольное электрическое поле является ускоряющим для электронов, бегущих вместе с волной. Поскольку фазовая скорость продольной волны равна групповой скорости лазерного импульса в плазме, которая лишь немногим меньше скорости света, релятивистские электроны могут находиться в ускоряющей фазе достаточно длительное время, приобретая значительную энергию. Этот метод ускорения электронов был впервые предложен в 1979 году^[2].

При увеличении интенсивности лазерного импульса увеличивается амплитуда возбуждаемой плазменной волны и, как следствие, увеличивается темп ускорения. При достаточно высоких интенсивностях плазменная волна становится нелинейной и, в конце концов, обрушается. При этом возможно возникновение сильно нелинейного режима распространения лазерного импульса в плазме — так называем пузырьковый (или баббл-) режим, в котором позади лазерного импульса образуется полость, похожая на пузырёк, практически полностью лишённая электронов. В этой полости также имеется продольное электрическое поле, способное эффективно ускорять электроны.

Экспериментально в линейном режиме взаимодействия был получен пучок электронов, ускоренный до энергий порядка 1 ГэВ на трассе длиной 3 см. Для компенсации дифракционной расходимости лазерного импульса в этом случае дополнительно использовался волновод в виде тонкого капилляра^[3].

В нелинейном режиме взаимодействия максимально достигнутая энергия составила 1,45 ГэВ на трассе длиной 1,3 см. В эксперименте использовался лазерный импульс мощностью 110 ТВт^[4].

См. также

• Лазерное ускорение ионов
• Кильватерное ускорение

Примечания

1. ↑ E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall Laser acceleration of electrons in vacuum (англ.) // Phys. Rev. E. — 1995. — Т. 52. — С. 5443.
2. ↑ T. Tajima, J. M. Dawson Laser Electron Accelerator (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 1979. — Т. 43. — С. 267.
3. ↑ W. P. Leemans et al. GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator (англ.) // Nature Physics. — 2006. — Т. 2. — С. 696—699.
4. ↑ C. E. Clayton et al. Self-Guided Laser Wakefield Acceleration beyond 1 GeV Using Ionization-Induced Injection (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2010. — Т. 105. — С. 105003.

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.
• E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators (англ.) // Rev Mod Phys. — 2009. — Т. 81. — С. 1229—1284.
• K. Krushelnick, V. Malka Laser wakefield plasma accelerators (англ.) // Laser & Photon Rev. — 2009. — Т. 4. — С. 42—52.
• А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов, А. М. Сергеев Горизонты петаваттных лазерных комплексов // УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 9—32.

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.