Здравствуйте, меня зовут Александр, и я физик. Со стороны это может прозвучать как приговор, но на самом деле так и есть. Вышло так, что я занимаюсь фундаментальными исследованиями в физике, а именно исследую ускоренные заряженные частицы: протоны и все те, которые побольше - положительные ионы, то есть. В исследованиях я не пользуюсь большими ускорителями вроде БАК, а стреляю по фольге лазером, а из фольги вылетает импульс протонов.

Теперь пару слов обо мне. Я закончил факультет фотоники и оптоинформатики ИТМО в Санкт-Петербурге, потом уехал в магистратуру в университет Аалто (это в Финляндии) по направлению микро- и нанотехнологий, а потом плюнул на все эти маленькие штучки, микроскопы, а в особенности на чистую комнату. И ушел я в фундаментальную науку с большими лазерами. Сейчас я тружусь в аспирантуре на юго-западе Швеции в городе Лунд в одноименном университете. Это примерно на расстоянии пушечного выстрела от Копенгагена.

Как ускорил, так и полетело

Сами по себе ускорители заряженных частиц идея не новая, но метод, которым я их разгоняю относительно свежий, примерно мой ровесник. Он позволяет существенно снизить размеры ускорителя и его стоимость, в том числе стоимость работы и обслуживания. Разницу между двумя типами можно оценить на картинке, которая ниже.


Слева - электростатический линейный ускоритель (немного разобранный); Справа - мой маленький, но гордый делатель дырок в фольге

Давайте подробнее сравним эти два образца сумрачного физического гения. Посмотрите на левый ускоритель и на правый, потом снова на левый и снова на правый: да, мой на коне (шутка - прим. автора). На самом деле, мой занимает всего метр в диаметре, а сами протоны ускоряются из кусочка фольги. Ее держатель находится ровно посередине круга, на нем надета красивая медная юбочка. Это гораздо проще и компактнее левого образца, который размером с автобус и вдобавок заполнен удушающим газом. Итак, вдоволь самоутвердившись (в физике часто бывает, что чем меньше - тем лучше), можно обратиться и к физике процесса ускорения.

Поскольку мы ускоряем заряженные частицы, то делать это логичнее всего электрическим полем. Поле мы будем характеризовать напряженностью. Для тех, кто после школы ушел во фронт- и бэк-энд, напомню: напряжённость электрического поля - векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы, действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда (грязный копипаст с Википедии). Имеет размерность В/м. Возвращаясь к сравнению, ускоритель слева разгоняет протоны до 4 МэВ (Мегаэлектронвольт), то есть 2.77*10 7 м/с или 9,2% от скорости света. Поскольку заряд протона - 1, а длина ускорителя метра два, то напряженность поля составит 2 МВ/м. Здесь мы предположили, что во всех местах поле направлено в одну сторону и, в общем, были очень близки к истине. Стильный ускоритель имеет поле напряженностью порядка нескольких ТВ/м, то есть примерно в миллион раз больше. Все-таки стоит признать, что его длина составляет всего несколько микрон.

Итак, к данному моменту мы выяснили, чье поле круче. Настало время обратиться к физическим и инженерным механизмам, которое это поле создают. В случае с обычным ускорителем есть два металлических листа, один из которых заряжен отрицательно, а второй никак. Вспомните школьный эксперимент про натирание эбонитовой палочки куском шерсти. Здесь принцип абсолютно тот же, но исполнение гораздо сложнее. Если ускорять протоны из фольги, то поле создается электронами, электроны вылетают из горячей плазмы, плазма получается и нагревается лазером, и обо всем этом оставшаяся часть поста.

Хотите, я его стукну, и он станет фиолетовым в крапинку?

Если стукнуть достаточно сильно, то можно увидеть много замечательных физических явлений. Именно так парни из Гарварда получили металлический водород, а потом потеряли его.

В моем случае, я стреляю по фольге лазером. Подробнее я его опишу после объяснения нетривиальной физики процессов получения теплой плотной материи, именно так по-научному называется плазма, являющаяся виновницей торжества ускорения моих протонов. А теперь обо всем по порядку.

Лазер генерирует импульсы длиной волны 800 нм и 35 фс длительностью (10 -15 с), то есть реальная длина импульса в вакууме примерно 10 мкм. В этот импульс упихано примерно 2 Дж энергии, а это много. Если взять этот импульс и сфокусировать на фольгу в аккуратное круглое пятнышко 5 мкм диаметром, то интенсивность получится порядка 10 20 Вт/см 2 . Это уже неприлично много. Снова чуть-чуть сравнений: сталь можно спокойно резать при интенсивности 10 8 Вт/см 2 (ну или около того).

На самом деле, импульс лазера в силу особенностей конструкции усилителя имеет предшествующий пьедестал длительностью примерно 500 пс, и этот самый пьедестал сильно помогает хорошо ускорить протоны.

Ионизирован - значит вооружен

Вспомним, что происходит со светом, когда он попадает в вещество. Энергия должна сохраниться, а значит есть всего три варианта событий: отражение, пропускание и поглощение. В суровой жизни присутствуют все перечисленные сразу. На самом раннем этапе нас интересует поглощение.

Итак, у нас есть пьедестал, который мы тоже отлично фокусируем на кусочек фольги, а он там отлично поглощается. Чтобы не вдаваться в сложности физики твердого тела, рассмотрим поглощение отдельно стоящего атома. Из квантовой механики мы знаем, что поглотить можно только фотон, энергия которого в точности равна энергии переход электрона из одного состояния в другое. Если энергия фотона больше, чем энергия ионизации (то есть отправки электрона из родительского гнезда в свободное путешествие), то избыток перейдет в кинетическую энергию электрона, тут все просто. В нашем случае фотоны с длиной волны 800 нм не обладают достаточной энергией (это энергия одного фотона, а не всего импульса!), чтобы ионизировать мишень, но здесь физика приходит нам на помощь. Помните, я упоминал большую интенсивность излучения? Если в довесок мы еще вспомним, что свет можно представить как поток фотонов, а интенсивность ему прямо пропорциональна, то получается, что поток фотонов ну очень большой. А если поток такой большой, то велика вероятность, что несколько фотонов прилетят в одно место и в одно время, а при поглощении их энергии сложатся, и ионизация все-таки случится. Это явление, как ни странно, называется многофотонной ионизацией, и мы регулярно им пользуемся.

На данный момент мы имеем, что электроны успешно оторваны, а значит, что основной импульс приезжает на уже готовую плазму и начинает ее греть.

Основы физики плазмы (не придумал шутку, ах)

Перед нагревом стоит немного рассказать про плазму как состояние материи. Плазма, она как газ, только электроны отдельно, а ядра отдельно. Мы будем считать нашу плазму практически идеальным газом, но состоящим из электронов.

Нашей главной характеристикой плазмы будут ее плотность (количество электронов на единицу объема), эту величину мы в дальнейшем будем обозначать $n_e$ (не путать с показателем преломления!), и температура этих самых электронов, то есть их средняя скорость движения. Это описывается распределением Больцмана так же, как и в школьном курсе физики:

$$display$$\frac{m_e v^2}{2} = \frac{1}{2} k_B T_e,$$display$$

откуда легко следует

$$display$$\langle v \rangle = \sqrt{k_B T_e/m_e},$$display$$

где $inline$k_B$inline$ - постоянная Больцмана, $inline$T_e$inline$ - температура электронов, ну и $inline$m_e$inline$ - масса электрона. Да, здесь мы рассмотрели одномерный случай, но большего нам для описания наших процессов и не надо, на самом деле.

Теперь мы приложим к уже описанной плазме электрическое поле. Напомню, что состоит плазма из заряженных частиц, а значит при данной плотности на некотором расстоянии от того места, где мы приложили поле, электроны заслонят (экранируют) собой источник (такая толпа маленьких Матросовых - прим. автора). Расстояние, которое необходимо для этого называется Дебаевской длиной и задается уравнением

$$display$$ \lambda_D = \sqrt{\frac{\epsilon_0 k_B T_e}{q^2_e n_e}}. $$display$$

Здесь $inline$q_e$inline$ , очевидно, заряд электрона, а $inline$\epsilon_0$inline$ - диэлектрическая проницаемость вакуума, такая фундаментальная константа. Немного проанализируем эту формулу, чтобы увидеть за ней несложную физику процесса. Увеличивая плотность электронов, мы уменьшаем среднее расстояние между ними, в результате за меньшее расстояние мы соберем достаточно электронов, чтобы полностью экранировать наше поле. С другой стороны, чем больше температура, тем больше среднее расстояние между электронами.

Из-за эффекта экранирования и вполне определенной (от температуры) средней скорости движения электронов плазма реагирует на внезапно прилетевшее поле не мгновенно. Логично предположить, что время отклика связано с Дебаевской длиной и скоростью движения электронов. Хорошая аналогия - бросок камня в озеро. По сравнению с целым озером камень воздействует на поверхность воды точечно. Часть воды изменяется сразу (это там, где плюхнуло), а затем волны начинают распространяться по водной глади. В случае с плазмой внезапно появившееся электрическое поле - это камень. Размеры плюха обусловлены длиной экранирования (дальше него поле не действует), а распространение волн зависит от того, насколько близко электроны находятся друг к другу. Мы можем ввести такую характеристику как время отклика плазмы:

$inline$ t_D = \lambda_D / v $inline$ . По большому счету она показывает нам то время, за которое информация об изменении приложенного поля дойдет до тех электронов, которые этого поля как бы и не видели.

Поскольку мы физики, время мы не очень любим. Гораздо удобнее работать с частотами, поэтому мы введем понятие собственной частоты плазмы. Эта величина покажет нам, как часто мы можем менять поле, чтобы все скопление электронов, которое мы гордо называем плазмой, успевало на эти изменения отреагировать. Ну что может быть проще? Поделим единицу на время отклика, и вот она - частота:

$$display$$ \omega_p = \frac{1}{t_D} = \sqrt{\frac{q^2_e n_e}{\epsilon_0 m_e}}. $$display$$

Легко заметить, что от плотности электронов зависит собственная частота колебаний плазмы. Чем больше электронов, тем больше частота. Можно провести еще одну аналогию, но на этот раз с пружинным маятником. Большая плотность электронов говорит нам, что они ближе друг к другу, а значит и взаимодействуют сильнее. Положим, что их взаимодействие прямой пропорцией связано с упругостью пружины маятника. А чем больше упругость, тем выше частота колебаний.

Собственная частота плазмы также определяет ее показатель преломления. Если честно написать волновое уравнение коллективного движения электронов в плазме, а потом предположить небольшие изменения электронной плотности (делать этого мы здесь не будем, потому что это скучно), то задается показатель преломления так:

$$display$$ \eta = \sqrt{1-\frac{\omega^2_p}{\omega^2_0}}. $$display$$

Здесь $inline$\omega_0$inline$ - круговая частота приложенного электрического поля. Она в рад/с а не в Гц!

Посмотрим внимательно на это выражение. Как физик-экспериментатор я души не чаю в действительных числах, а комплексные стараюсь игнорировать, особенно комплексный показатель преломления. Ну как может свет, в конце концов, распространяться в веществе в i раз медленнее, чем в вакууме? Это же бред какой-то! На самом деле нет, но об этом в другой раз. Если $inline$\omega_0 > \omega_p$inline$ , то выражение имеет действительной значение, и переменное электрическое поле распространяется внутри нашей плазмы. Все довольны, а такую плазму мы будем величать недостаточно плотной. Однако если $inline$\omega_0 < \omega_p$inline$ , то показатель преломления становится не то что комплексным, а целиком мнимым. В этом случае (и не просто потому что я так захотел) волна вообще не будет там распространяться, а сразу отразится без потерь. Это слишком плотная плазма. Очень классное явление, кстати. Называется плазменным зеркалом.

И в качестве десерта $inline$\omega_0 = \omega_p$inline$ . Это плазма критической плотности. В этом случае она начинает входить в резонанс с вынуждающим (поданным нами) переменным электрическим полем. Для такого особого случая можно даже ввести понятие критической плотности и задать ее вот так:

$$display$$ n_c = \frac{\epsilon_0 m_e \omega^2_0}{q^2_e}. $$display$$

Естественно, для каждой частоты вынуждающего поля критическая плотность своя.

ШОК! Нагрев плазмы! Для этого надо только...

В нашем случае мы остановимся только на одном механизме нагрева, который преобладает в эксперименте.

Для начала, пусть плазма, которую мы образовали пьедесталом будет иметь плавный градиент плотности, в этом случае мы имеем нагрев через резонансное поглощение. Иллюстрация этого на картинке дальше.

Иллюстрация процесса резонансного поглощения: а) распределение плотности электронов вблизи передней стороны мишени; б) преломление лазерного пучка в плазме с градиентом плотности; в) электрическое поле в плазме

Итак, лазер светит на нашу плазму под углом, ну пусть 45 градусов, и при этом он поляризован в плоскости падения. Поляризация обозначена красными стрелочками на рисунке. Наша плазма имеет градиент плотности, а значит ее показатель преломления непрерывно меняется (здесь - растет). В какой-то момент случится так, что некоторый слой плазмы для нашего лазера станет «поворотным» и он отразится, то есть некоторое время будет распространяться параллельно критическому слою. Важно отметить, что повернет он раньше того, как долетит до слоя с критической плотностью, поскольку запустили мы его под углом к нормали. Плотность плазмы, на которой лазерный пучок повернет, задается таким уравнением:

$$display$$ n_t = n_c \cos^2 \alpha,$$display$$

где $inline$n_c$inline$ - критическая плотность, а $inline$\alpha$inline$ - угол падения света.

Теперь начинается самое интересное. Вспомним, что свет - это не только поток фотонов, но еще и электромагнитная волна, то есть у нашего импульса есть электрическое поле, которое гармонически колеблется с большой амплитудой. При распространении света параллельно критическому слою образуется стоячая волна, которая не изменяется с течением времени (естественно, пока лазерный импульс на месте). Поле этой волны, на самом деле, проникает дальше того слоя плазмы, где свет повернул, и дотягивается до критического слоя. Напомню, что частота колебаний плазмы в критическом слое такая же, как и частота лазерного излучения, а значит происходит резонанс. Когда лазер перестал светить, энергия, которую он сообщил электронам в критическом слое, распределяется через удары остальным электронам, а это и значит, что плазма нагрелась.

Так а где, собственно, ускорение?

Теперь, когда мы хорошо прогрели электроны в плазме, а лазер уже не светит, можно рассказать, как ускоряются протоны. Для этого посмотрим на картинки ниже. До этого момента я так и не говорил, откуда вообще берутся протоны. Естественно, они появляются не из ядер материала фольги. Поскольку мы не очень аккуратные и не носим перчатки (в них руки потеют сильно), то на поверхности фольги оказывается вода и углеводороды. Ионизированный водород и есть наш бесценный источник протонов. Проверено: если убрать загрязнения, то протонов не будет.

	Формирование плазмы пьедесталом, то есть ионизация передней стороны мишени. В качестве мишени обычно используют фольгу толщиной 0,4 - 12 мкм.
	Здесь основная часть импульса взаимодействует с созданной плазмой и нагревает ее. Некоторые электроны настолько хорошо прогрелись, что вылетают с обратной стороны мишени.
	Когда электронов повылетало достаточно много, оставшийся положительный заряд в фольге тянет их обратно. В плазме они снова нагреваются и вылетают. На некоторое время устанавливается динамическое равновесие. Электрическое поле направлено перпендикулярно мишени
	Это самое электрическое поле отрывает протоны и другие ионы (в зависимости от того, что там было вообще) от задней поверхности мишени, а затем ускоряет их. К тому моменту, когда ионы ускорились, электронное облако уже разваливается, и все частицы начинают лететь дальше вместе. И тут мы начинает считать, что они и не взаимодействуют больше.

Разделяй и властвуй

На данный момент позиция такая: лазер давно не светит, в фольге дырка, протоны с электронами дружно летят от мишени нормально к ее задней поверхности. Электроны нам совсем не нужны, поэтому тут нам приходит на помощь магнит. Когда пучок заряженных частиц пролетает через магнитное поле, силы Лоренца каждую частицу отклоняют пропорционально ее скорости и заряду. Соответственно, протоны и электроны отклонятся в разные стороны, и в сторону электронов мы просто смотреть не будем. Кстати, чем больше энергия протона (то есть его скорость), тем меньше он отклонится. Это значит, что, поставив экранчик, который к протонам чувствителен, мы сможем посмотреть энергии ускоренных протонов. Еще немного сравнений в цифрах: магнит, который стоит у нас постоянный и создает поле около 0,75 Тл; в аппаратах МРТ магнитное поле 1,5 - 3 Тл.

Кроме этого, мы можем посмотреть профиль пучка летящих протонов. Он круглый, кстати. А если мы сможем померить еще и энергию протонов в каждой части пучка, то сможем однозначно восстановить форму электронного облака, которое наши протоны ускорило.

Вместо заключения

Может возникнуть справедливый вопрос, зачем все это нужно. Мой любимый ответ - просто так. Это фундаментальная наука, и пытаться найти ей сиюминутные применения бессмысленно. Возможно, через сколько-то лет она найдет свое применение в лечении рака или термоядерном синтезе, а пока главная задача - узнать что-то новое о мире вокруг нас, просто так, потому что интересно.

Для особо любопытных про сам лазер и его устройство

Как и было обещано, здесь я расскажу про лазер, с помощью которого я и делаю науку. Я уже упоминал некоторые характеристики нашего лазера, но не говорил о частоте повторения импульсов. Она составляет примерно 80 МГц. Эта частота определятся только длиной резонатора и обратна времени, за которое свет успевает слетать по резонатору туда-обратно. Забегая вперед, скажу, что на такой частоте усиливать импульсы нецелесообразно, невероятно сложно с инженерной точки зрения, да и электричества не напасешься.

Особенно вдаваться в лазерную теорию я не буду. Основы того, откуда берется лазерное излучение отлично изложены в статье на Википедии про вынужденное излучение. Если постараться быть совсем кратким, то для лазерного излучения нужны три составляющие: активная среда (из нее как раз и вылетают фотоны), накачка (она поддерживает активную среду в состоянии, в котором больше возбужденных атомов, которые могут излучить), а также резонатор (он обеспечивает то, что фотоны копируют друг друга при многократных прохождениях через активную среду). Если составить все компоненты вместе и помолиться, то лазер начнет светить, но непрерывно. Если постараться еще, то можно заставить его генерировать импульсы, в том числе и такие короткие, как на моей установке. Для самых любознательных, метод генерации фемтосекундных импульсов называется пассивной синхронизацией мод. И теперь небольшая особенность ну очень коротких импульсов. Часто считают, что лазер светит на одной длине волны, и в непрерывном режиме, а также на длинных импульсах это можно даже назвать правдой. На самом деле, из-за ряда сложных физических процессов, которые здесь мы обсуждать уж точно не будем, временная форма импульса и его спектр связаны преобразованием Фурье. То есть чем импульс короче, тем шире его спектр.

Допустим, что мы запустили задающий генератор, но энергия его импульсов несколько нДж. Помните, в начале я говорил, что энергия в импульсе, который прилетает в мишень около 2 Дж? Так вот, это в миллиард раз больше. Значит, импульс надо усилить, и про это мы поговорим подробнее.

Короткие импульсы вообще характеризуются очень большими пиковыми мощностями (помните же, энергию поделить на время?), а у этого есть ряд осложнений. Если в среду посветить излучением с большой интенсивностью (мощность на единицу площади), то она сгорит, а если активная среда сгорела, то усилить уже ничего не получится. Именно поэтому мы выбираем частоту повторения 10 Гц и усиливаем только их. Поскольку оборудования много и все оно работает именно на такой частоте, у нас есть специальная коробка, которая всему железу эти 10 Гц раздает, и для каждого устройства можно выбрать задержку получения сигнала с точностью до нескольких пикосекунд.

Бороться с высокой интенсивностью можно двумя способами. Как несложно догадаться из ее определения, нужно либо увеличить площадь, либо уменьшить мощность. С первым все предельно ясно, а вот второй способ стал прорывом лазерной технологии в двадцатом века. Если импульс изначально очень короткий, его можно растянуть, усилить, а потом снова сжать.

Чтобы понять, как это сделать, обратимся к основам оптики. Для разных длин волн показатели преломления в среде разные, а это значит (по определению показателя преломления, кстати), что с ростом показателя преломления уменьшается скорость распространения света в среде. И вот мы запустили в среду наш импульс, и его красная часть прошла материал быстрее, чем синяя, то есть импульс стал длиннее, а его пиковая мощность упала. Ура, теперь ничего не горит! Для более глубоких познаний в этой области рекомендую погуглить и почитать про усиление чирпированных импульсов (оно же Chirped Pulse Amplification или CPA).

Все, что нам осталось сделать - это усилить импульс, сжать, сфокусировать и отправить его делать дырку в фольге!

А теперь немного картинок с подписями.

Собственно фоточка лаборатории. Цилиндрическая хрень посередине - вакуумная камера, потому что протоны очень паршиво летают в воздухе и все время стукаются о его молекулы. Ну и в целом, с вакуумом все смотрится круче. Синяя штука справа - свинцовая стенка, чтобы невзначай не получить суперспособностей и лучевой болезни. Сам лазер находится за дверью, которая слева с желтым знаком ахтунга

А вот и сама стена в профиль. Да, внутри она набита свинцом, как Винни-Пух.

За стенкой находится наш командный пункт, когда мы стреляем, то по технике безопасности положено сидеть за ней. От радиации мы, конечно, не умрем, но вот ослепнуть можно запросто. Здесь пять мониторов на два компа, запутаться во всем этом барахле очень легко. На одном из компов есть колоночки, поэтому во время работы в подземелье можно слушать Лободу и Большого Русского Босса, по необъяснимым причинам они нравятся и моим коллегам тоже. Только половина из них шведы, кстати.

У нас еще есть свинцовая дверь-купе. Она на гидравлическом приводе.

Вот мы и внутри комнаты с лазером. Это фотография первого стола, на котором рождается лазерный импульс. Здесь же он предусиливается (в 1000 раз примерно) и растягивается. На полочке сверху стоит куча очень важной и нужной электроники, без которой лазер работать не будет.

Это второй стол, в котором усиливается излучение после первого. Этот усилитель - наша главная рабочая лошадка - он повышает энергию в сорок тысяч раз. На самом деле, в нем стоит два разных по устройству усилителя: многопроходовый и регенеративный. В первом импульс просто несколько раз проходит через активную среду. Во втором есть свой собственный резонатор. С помощью электрооптических затворов (ячейки Покельса) импульс запускают внутрь, он проходит там несколько раз, пока не усиление не насытится, а потом его выпускают дальше. Именно здесь так важна скорость и точность открытия-закрытия затворов.

Это третий стол, тут усиление примерно 15 раз. Башня посередине, которая торчит над крышкой - криостат. В нем в вакууме находится здоровенный кристалл, который охлаждается жидким гелием до температуры -190 градусов Цельсия.

Это отдельная комната, в которой находятся источники питания накачки третьего стола и основные вакуумные насосы. КПД от розетки у системы так себе, примерно 0,1\%. Я как-то посчитал, что потребляемая электрическая мощность примерно 160 кВт. Это примерно 960 видеокарт можно запитать и майнить, майнить, майнить. Столько электричества потребляется при усилении на частоте повторения 10 Гц. Если бы мы пытались усилить 80 МГц, то потребление выросло бы в 8 миллионов раз.

Спасибо за внимание!

май 2006 № 5 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика

ПЛАЗМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Чандрашекар Джоши

В новых ускорителях элементарные частицы будут накапливать колоссальную энергию, скользя на гребнях плазменных волн.

С помощью ускорителей элементарных частиц физики пытаются разгадать фундаментальные загадки природы. В этих гигантских установках заряженные частицы разгоняют почти до скорости света и затем сталкивают их друг с другом, воссоздавая условия, существовавшие в момент рождения Вселенной. Анализируя результаты столкновений, ученые стремятся понять, как связаны между собой, казалось бы, несопоставимые силы и частицы, и как можно было бы описать их взаимодействие в рамках единой теории. Но чем ближе физики подходят к разгадке сокровенных тайн творения, тем более мощные и дорогие ускорители требуются для проведения экспериментов.

Самый мощный ускоритель строится сейчас в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN). Речь идет о Большом адронном коллайдере (LHC) диаметром 8,6 км, который будет введен в эксплуатацию в 2007 г. Протоны в нем будут разгоняться под действием семи триллионов вольт, и их столкновения расскажут нам, откуда берется масса частиц (см. «Загадки массы», «ВМН», №10, 2005 г.). С помощью уже действующих установок ученые пытаются получить кварк-глюонную плазму (исходное состояние материи) и разобраться, почему во Вселенной вещества больше, чем антивещества. Сегодня во всех ускорителях используется старая, громоздкая технология разгона заряженных частиц СВЧ-излучением.

Плазменные ускорители разгоняют электроны до нескольких сотен МэВ и при этом помещаются на лабораторном столе.

ОБЗОР: ПЛАЗМЕННЫЙ СЕРФИНГ Десятилетиями для ускорения элементарных частиц до околосветовых скоростей использовались СВЧ-резонаторы. Из них состоит и Большой адронный коллайдер (LHC) диаметром 8,6 км, который будет запущен в 2007 г. Существенно уменьшить размеры и стоимость ускорителей высокой энергии позволит технология разгона электронов и позитронов, скользящих на вершине электромагнитной волны, возбуждаемой в плазме. Новая методика уже была проверена в лабораторных экспериментах. На основе плазменных устройств можно будет создавать настольные ускорители низкой энергии для проведения исследований в области материаловедения, структурной биологии, ядерной медицины и стерилизации пищевых продуктов.

Последние три четверти века мощность ускорителей каждые 10 лет возрастала примерно на порядок, что позволило ученым сделать множество фундаментальных открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц. Но продолжится ли такой прогресс? Ускорители на СВЧ-излучении, похоже, достигли предела своих возможностей. В 1993 г. конгресс США прекратил финансирование сверхпроводникового суперколлайдера диаметром 28 км и стоимостью $8 млрд., который был бы вдвое мощнее, чем LHC. Теперь физики надеются, что следующим после LHC будет построен линейный коллайдер длиной 30 км, но нет никакой уверенности, что многомиллиардный проект не разделит судьбу суперколлайдера. Как нельзя более кстати появились новые методы ускорения частиц с помощью плазмы, применение которой позволит значительно уменьшить размеры и стоимость ускорителей для физики самых высоких энергий (100 ГэВ и больше).

Помимо гигантских ускорителей, работающих на предельно высоких энергиях, существуют машины и поскромнее. Они используются в материаловедении, структурной биологии, ядерной медицине, а также для изучения термоядерного синтеза, стерилизации пищевых продуктов, переработки ядерных отходов и лечения некоторых видов рака. В таких установках энергия электронов или протонов относительно невелика (от 100 МэВ до 1 ГэВ), но, тем не менее, они занимают много места. В ближайшем будущем им на смену скорее всего придут настольные плазменные ускорители.

РЕЖИМ ПУЗЫРЯ

В ускорителе с кильватерным полем используется ускоряющая сила, создаваемая возмущенным распределением зарядов, которое называют кильватерным полем. Ведущий лазерный или электронный импульс выталкивает электроны плазмы (белые) на периферию, оставляя за собой область положительного заряда (зеленая). Она втягивает отрицательно заряженные электроны назад, и позади ведущего импульса формируется электронный пузырь. Вдоль оси распространения пучка электрическое поле (изображено внизу) напоминает очень крутую, готовую обрушиться океанскую волну. Кильватерное поле придает мощное ускорение ведомому электронному импульсу, захваченному задней частью пузыря.

СВЧ-излучение и плазма

Прежде чем приступить к рассмотрению новой технологии, познакомимся с классическими ускорителями поближе. Во-первых, они ускоряют либо легкие элементарные частицы (электроны и позитроны), либо тяжелые (протоны и антипротоны). Во-вторых, частицы могут разгоняться либо за один проход по прямой, либо за несколько круговых оборотов. Например, LHC представляет собой кольцевую установку, в которой будут сталкиваться два пучка протонов. После LHC физики надеются построить линейный коллайдер электронов и позитронов с энергией в точке столкновения порядка 0,5 ТэВ. При таких энергиях электроны и позитроны должны разгоняться по прямой, поскольку круговое ускорение привело бы к чрезмерным энергетическим потерям на синхротронное излучение. Плазменные ускорители лучше всего подходят именно для линейного ускорения легких частиц.

Обычный линейный коллайдер ускоряет частицы электрическим полем, которое движется синхронно с ними. В объемном резонаторе с замедленной волной (металлическая трубка с периодически расположенными диафрагмами) с помощью мощного СВЧ-излучения создается электрическое поле. При напряженности поля от 20 МВ/м до 50 МВ/м происходит электрический пробой: с металлических стенок резонаторов проскакивают электрические искры, и ток в них резко падает. Поскольку напряженность электрического поля должна быть ниже порога пробоя, для разгона частиц до больших энергий требуются большие расстояния. Например, чтобы получить триллионвольтный пучок частиц, необходим ускоритель длиной 30 км. Если бы мы не были ограничены пределом электрического пробоя, его можно было бы сделать более компактным.

В ускорителях нового типа роль ускоряющей структуры играет ионизированный газ, т.е. плазма. Одним из основных элементов конструкции становится электрический пробой, поскольку он необходим для ионизации газа. В качестве источника энергии используется не СВЧ-излучение, а луч лазера или пучок заряженных частиц.

Казалось бы, ни то, ни другое не подходит для ускорения элементарных частиц: и в лазерном луче, и в потоке заряженных частиц есть сильные электрические поля, но их векторы перпендикулярны направлению распространения. А ведь в ускорителе электрическое поле должно быть продольным, т.е. направленным в сторону движения разгоняемых частиц. К счастью, когда лазерный луч или пучок заряженных частиц проходит через плазму, в ней может возникать мощное продольное электрическое поле.

Плазма в целом электрически нейтральна и содержит равные количества отрицательных (электроны) и положительных (ионы) зарядов. Импульс мощного лазера или сгусток частиц создают в плазме возмущение. По существу, луч срывает легкие электроны с более тяжелых положительных ионов, в результате чего возникают области избытка положительных и избытка отрицательных зарядов (см. рис. сверху). Возмущение образует волну, которая перемещается в плазме почти со скоростью света. Мощное электрическое поле, направленное от области положительного заряда к области отрицательного, ускоряет попавшие в него заряженные частицы.

Ионизированный газ может поддерживать ускоряющие электрические поля фантастической величины. Например, в плазме, содержащей 10 18 электронов в 1 см 3 (довольно обычная величина), может возникнуть волна с пиковым электрическим полем -100 ГВ/м - в тысячу раз больше, чем в обычном ускорителе на СВЧ-излучении. Однако существует принципиальная проблема: типичная длина СВЧ-волны составляет 10 см, а длина плазменной волны - всего 30 мкм, и разместить в ней сгусток ускоряемых электронов очень сложно.

Описанный метод ускорения элементарных частиц с помощью плазмы был предложен еще в 1979 г. Джоном Доусоном (John M. Dawson) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Но прошло почти полтора десятка лет, прежде чем был поставлен эксперимент, в котором электроны разгонялись в волнах плазмы. Автор статьи вместе с коллегами из UCLA однозначно решил эту задачу в 1993 г. Особого внимания заслуживают два новых вида ускорителей: с лазерным и с плазменным кильватерными полями. Лазерное кильватерное поле найдет широкое применение в настольных ускорителях небольшой мощности, а плазменное - в сверхмощных коллайдерах, которые будут обеспечивать наибольшую энергию столкновений.

УСКОРИТЕЛЬ С ЛАЗЕРНЫМ КИЛЬВАТЕРНЫМ ПОЛЕМ

В настольном плазменном ускорителе высокоинтенсивный луч лазера фокусируется на сверхзвуковой струе газообразного гелия (слева). Световой импульс создает в струе газа плазму, и кильватерное поле ускоряет некоторые из ее электронов. Получившийся электронный импульс коллимируется и проходит через магнитное поле, отклоняющее частицы соответственно их энергиям. Такой ускоритель может разместиться на столе размером 1,2 м на 1,8 м. Снимки электронных пучков (справа), сделанные в Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института, демонстрируют, как было преодолено главное препятствие. Хотя некоторые электроны ускорялись до 100 МэВ, нижняя граница диапазона энергий доходила до 0 МэВ (a). Кроме того, пучок расходился на целый градус. Напротив, в экспериментах с недавно открытым режимом пузыря удалось получить хорошо сфокусированный моноэнергический пучок с энергией около 180 МэВ (б).

Импульсы света

Сегодня мы можем говорить о создании настольных плазменных ускорителей, поскольку в нашем распоряжении есть компактные титан-сапфировые лазеры, генерирующие ультракороткие световые импульсы мощностью до 10 ТВт. Когда такой импульс направляют на струю гелия длиной 2 мм, он мгновенно срывает с молекул газа электроны, создавая плазму.

Световое давление лазерной «пули» настолько велико, что электроны «выдуваются» наружу во всех направлениях. Покинутые ими ионы притягивают их обратно, и электроны устремляются к оси, вдоль которой распространяется лазерный импульс, проскакивают ее и снова движутся наружу. В результате возникают волнообразные колебания, которые называются лазерным кильватерным полем.

Электроны образуют своеобразный пузырь диаметром приблизительно 10 мкм. Около его фронта движется лазерный импульс, создающий плазму. Внутренняя часть пузыря состоит из ионов, а электрическое поле в нем напоминает чрезвычайно высокую океанскую волну. Возможны и другие конфигурации, но в режиме пузыря ускорение электронов обеспечивается наиболее надежно.

Когда электронная пушка впрыскивает электроны в то место плазмы, где они уже есть в избытке, новые частицы под действием электрического поля устремляются к положительным зарядам внутри пузыря. Волна движется вперед со скоростью света, поэтому инжектируемые электроны должны иметь околосветовую скорость, чтобы поймать волну и получить от нее дополнительную энергию. Согласно теории относительности дальнейшее увеличение энергии электронов происходит главным образом за счет увеличения их массы, а не скорости. Поэтому они не опережают плазменную волну, а как бы скользят на ее гребне, приобретая все большую энергию. Некоторые электроны самой плазмы точно так же захватываются и ускоряются, словно пена, подхваченная гребнем океанской волны.

В 2002 г. Виктор Малка (Victor Malka) из Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института показал, что с помощью управляемого лазером кильватерного поля можно создавать хорошо сфокусированный пучок, содержащий 108 электронов. К сожалению, диапазон энергии ускоренных электронов оказался очень широк (от 1 МэВ до 200 МэВ). В большинстве случаев требуются пучки электронов с одинаковой энергией.

Вскоре для получения низкоэнергетических электронных пучков можно будет использовать настольные плазменные ускорители.

Большой разброс энергии обусловлен тем, что электроны захватываются волной поля в разных точках и в разное время. В обычном ускорителе частицы вводятся в одном месте недалеко от пика электрического поля. Ученые считали, что такой точный впрыск в ускорителе с лазерным кильватерным полем невозможен, т.к. ускоряющая структура имеет микроскопические размеры и существует в течение очень короткого времени. Однако в 2004 г. три конкурирующие группы исследователей из США, Франции и Великобритании одновременно обнаружили новый физический режим, в котором самозахваченные электроны движутся как единое целое и достигают одной и той же энергии. Все три группы использовали лазеры более высокой мощности, чем прежде (от 10 ТВт и выше). Когда столь мощный лазерный импульс проходит через плазму, он становится короче и же и создает большой электронный пузырь, захватывающий электроны из плазмы. Таких самозахваченных электронов оказывается настолько много, что они отбирают у кильватерной волны довольно много энергии, и захват новых частиц прекращается. Самые энергичные электроны в авангарде сгустка опережают волну и начинают терять энергию, тогда как отставшие электроны с меньшей энергией продолжают ее набирать.

В результате получается пучок электронов с узким распределением энергии. Например, в экспериментах Малки ее разброс был снижен со 100% до 10% при интенсивности пучка порядка 109 электронов. Заметно уменьшилось и его угловое рассеяние: оно оказалось сопоставимым с угловым рассеянием пучков, создаваемых лучшими линейными СВЧ-ускорителями. Полученные пучки электронов фактически представляли собой импульсы длительностью всего 10 фс, т.е. были самыми короткими из когда-либо созданных в ускорителях. Поэтому их можно использовать в качестве источника излучения для изучения сверхбыстрых химических и биологических процессов. Если такой электронный импульс направить на тонкую металлическую мишень, то можно получить столь же короткий рентгеновский импульс. Вероятно, вскоре рентгеновское излучение, получаемое с помощью настольных ускорителей, найдет множество применений.

В принципе, ускоритель с лазерным кильватерным полем может разгонять электроны до энергии порядка 1 ГэВ, но для этого нужно получить плазменную волну, которая сохраняется на протяжении целого сантиметра, а не пары миллиметров. Чтобы возбуждающий ее лазерный луч как можно дольше сохранял свою интенсивность, необходимо создать для него плазменный световод. Наиболее перспективным считается метод предварительного формирования плазменного световода, который разрабатывают исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. В этом методе плотность электронов около оси плазмы ниже, чем на периферии. Поэтому коэффициент преломления в центре плазменного канала оказывается выше, чем на периферии, и канал ведет себя как оптоволокно, направляющее лазерный луч. Эксперименты в Беркли уже показали, что такие каналы позволяют получить моноэнергетические пучки электронов. Дальнейшее усовершенствование технологии, вероятно, приведет к появлению настольных плазменных ускорителей ГэВ-класса.

ДОЖИГАТЕЛЬ ПЛАЗМЫ

Ускорение в плазменном кильватерным поле недавно было продемонстрировано на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC). В плазменной установке энергия пучка электронов увеличивалась на 4 ГэВ на пути всего 10 см, для чего на обычном СВЧ-ускорителе потребовалась бы секция длиной 200 м. В специальной печи испаряются таблетки лития. Интенсивный электронный импульс (красный) ионизирует пар и создает плазму. Он «выдувает» электроны плазмы (синие) наружу, формируя позади себя возмущенное распределение зарядов, создающее ускоряющее поле. Электроны, находящиеся в кильватерном поле, испытывают мощное ускорение (оранжевые стрелки).

В отсутствие лития (a) пучок электронов, разогнанных SLC до 30 ГэВ, был моноэнергетическим (энергия откладывается по вертикали). После прохождения через 10 см литиевой плазмы (б) многие частицы пучка потеряли энергию на создание плазменного кильватерного поля (красный хвост), которое ускорило небольшое число электронов в задней части импульса до более высокой энергии (синяя область вверху).

Приближение к предельной энергии

А нельзя ли использовать компактные плазменные ускорители для разгона элементарных частиц до энергий порядка 1 ТэВ? В принципе, можно было бы последовательно соединить сотни компактных лазерно-плазменных ускорительных модулей, дающих приращение энергии по нескольку ГэВ. Аналогичная каскадная схема используется для получении высоких энергий с помощью традиционных СВЧ-ускорителей. Однако каскадирование плазменных ускорителей сопряжено с огромными трудностями.

Сегодня предпочтение отдается методу дожигания плазмы, при котором ускоритель с плазменным кильватерным полем удваивает энергию частиц, разогнанных обычным ускорителем. Последний выдает два импульса электронов или позитронов с энергией порядка нескольких сотен ГэВ. В первом импульсе (его называют ведущим) содержится в три раза больше частиц, чем во втором (ведомом). И длительность каждого импульса, и временной интервал между ними обычно составляет 100 фс. Как и в лазерном ускорителе, плотный ведущий импульс попадает в менее плотную плазму и создает пузырь с кильватерным полем. Процесс протекает так же, как в ускорителе с лазерным кильватерным полем, но электроны разбрасываются не световым давлением луча, а электрическим полем ведущего импульса. Затем ведомый импульс попадает в электронный пузырь и быстро ускоряется продольной составляющей полученного электрического поля.

Ускоритель с плазменным кильватерным полем вызвал большой интерес у физиков, занимающихся совершенствованием ускорительной техники. Столь привлекательным его сделали достижения ученых из UCLA, Университета Южной Калифорнии и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC). Прежде всего им удалось создать плазменный ускоритель метровой длины как для электронов, так и для позитронов. Большое искусство потребовалось для того, чтобы научиться поддерживать устойчивость ведущих пучков на таком расстоянии. Кроме того, физики продемонстрировали увеличение энергии электронов более чем на 4 ГэВ на дистанции всего 10 см. Самое главное, что нет никаких принципиальных препятствий для еще большего увеличения энергии: достаточно просто удлинить участок с плазмой.

Наконец, ученые показали, что плазма улучшает фокусировку электронного или позитронного луча как минимум в два раза. Это весьма существенно для коллайдеров, в которых ускоренные частицы должны быть сфокусированы на очень маленьком пятнышке. Чем сильнее сосредоточены пучки, тем больше происходит столкновений, количество которых является столь же важным параметром коллайдера, как и их энергия.

Перечисленные успехи позволяют задуматься об использовании плазменной схемы для достижения верхней границы энергий. Однако сначала технику следует проверить на работающем ускорителе, используя его как первую ступень. Например, пару плазменных устройств длинной 10 м можно было бы установить по обе стороны от точки столкновения на Стэнфордском линейном коллайдере, чтобы увеличить энергию частиц с 50 ГэВ до 100 ГэВ. Хотя проект еще не профинансирован, SLAC уже предложил министерству энергетики построить линию SABER для ускорения частиц до высоких энергий, чтобы продолжить исследования.

На участке длиной 10 см плазменный ускоритель увеличивает энергию электронов на 4 ГэВ.

Мы рассмотрели принцип действия ускорителей применительно к разгону электронов. Чтобы ускорять позитроны или другие положительно заряженные частицы, нужно перевернуть электрическое поле. Например, можно использовать в качестве ведущего пучок позитронов. Его положительный заряд будет затягивать электроны плазмы внутрь, а они, как и прежде, будут проскакивать центральную ось и образовывать пузырь. При этом направление электрического поля изменится на противоположное тому, которое наблюдалось бы в случае электронного импульса, что и требуется для ускорения ведомого импульса позитронов.

Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ.

Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени).

Создателям обычного ускорителя потребовалось 75 лет, чтобы довести энергию столкновения электронов с позитронами до 200 ГэВ. Технология плазменных ускорителей развивается гораздо быстрее, и ученые надеются выйти за пределы возможностей СВЧ-систем для физики высоких энергий всего за пару десятилетий.

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГИИ ОБЫЧНОГО УСКОРИТЕЛЯ

Эксперимент с использованием Стэнфордского линейного коллайдера (SLC) мог бы продемонстрировать возможность применения плазменных дожигателей с кильватерным полем для повышения энергии обычного ускорителя. Десятиметровые дожигатели, установленные на выходах трехкилометрового SLC, должны увеличивать энергию предварительно разогнанных электронов и позитронов с 50 ГэВ до 100 ГэВ. Плазменные линзы помогут сфокусировать пучки с удвоенной энергией, чтобы они сталкивались в одной точке. Электронный дожигатель должен быть заполнен плазмой, а в позитронном должен быть полый осевой канал. Описанный эксперимент пока не профинансирован.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Plasma Particle Accelerators. John M. Dawson in Scientific American, Vol. 260, No. 3, pages 54-61; March 1989.

Plasma Accelerators at the Energy Frontier and on Tabletops. Chandra-shekhar Joshi and Thomas Katsouleas in Physics Today, Vol. 56, No. 6; pages 47-53; June 2003.

Accelerator Physics: Electrons Hang Ten on Laser Wake. Thomas Katsouleas in Nature, Vol. 431, pages 515-516; September 30, 2004. Also three research reports in the same issue.

The Lasers, Optical Accelerator Systems Integrated Studies (L’OASIS) Group at the University of California, Berkeley: http://loasis.lbl.gov/

Stanford’s Plasma Wakefield Accelerator Experiment: www.slac.stanford.edu/grp/arb/e164/index.html

ОБ АВТОРЕ:
Чандрашекар Джоши (Chandrashekhar Joshi) - профессор электротехники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Он руководит Центром высокочастотной электроники и установкой «Нептун» для углубленных исследований ускорительной техники в UCLA. Автор новейших методов ускорения элементарных частиц, Джоши известен работами, посвященными нелинейной оптике плазмы, взаимодействию интенсивного лазерного излучения с веществом и применению плазмы в ядерном синтезе, ускорителях и источниках света

Вторичные пучки

В современных экспериментах широко используются вторичные пучки частиц, которые рождаются после взаимодействия первичного ускоренного пучка частиц с мишенью. Применяя электромагнитные сепараторы и коллиматоры, из огромного числа частиц, образующихся на мишени, можно выделить частицы определённого типа и определенного импульса. В ядерной физике таким способом получают вторичные пучки радиоактивных ядер, время жизни которых может составлять несколько миллисекунд. Аналогично можно получить вторичные пучки р- и K-мезонов. Вторичные пучки р-мезонов можно использовать для образования нейтринных пучков, которые получаются при распаде р-мезонов:

р->м- +н м, р+>м+ + нм.

Чистый пучок нейтрино можно получить, фильтруя образующиеся частицы через толстый поглотитель.

Лазерное ускорение электронов

Идея использования лазеров для ускорения электронов в плазме была выдвинута в 1979 г. американскими учеными . Применительно к коротким лазерным импульсам первые аналитические исследования были опубликованы в 1987 г. и в 1988 г. . По сути, лазерное ускорение электронов в плазме очень близко к так называемому коллективному методу ускорению электронов, который разрабатывался в течение многих лет в Харьковском физико-техническом институте под руководством Я.Б.Файнберга. О тех проблемах, с которыми сталкивается традиционная вакуумная ускорительная техника, и о коллективных методах ускорения в плазме можно прочитать в статье, опубликованной в журнале “Природа” ранее .

Рис. 57

Пунктиром показаны линии пониженной электронной плотности, сплошной - линии повышенной электронной плотности. Стрелка показывает направление распространения лазерного импульса.

Применительно к коротким лазерным импульсам ускорение электронов в плазме можно схематически представить следующим образом. Распространяясь в плазме, импульс выталкивает электроны из той области, где он в данный момент находится (рис.3). Кроме сил со стороны импульса, на электроны действует электрическое поле со стороны ионов плазмы, которые можно считать неподвижными из-за их большей массы. После того, как импульс покинул данную область, на электроны действует только поле разделения зарядов, стремящееся вернуть электроны в их исходное положение. Разогнавшись в этом поле, электроны проскакивают свое начальное положение и начинают колебаться относительно ионов на так называемой плазменной частоте. Поскольку импульс бежит по плазме и все время выталкивает те электроны, которые встречаются на его пути, он все время позади за собой запускает плазменные колебания. При этом начальная фаза этих колебаний различна в разных точках на пути импульса. В результате возбуждается волна разделения зарядов, фаза которой распространяется по плазме со скоростью импульса (так называемая кильватерная волна, рис.4). Электрическое поле этой волны в одной половине периода направлено по направлению распространения импульса, а в другой половине периода - навстречу направлению распространения импульса. Если электрон с начальной скоростью, равной скорости импульса, поместить в ту область плазменной волны, где действующая на него со стороны электрического поля сила направлена по направлению его движения, то электрон, двигаясь вместе с волной, начнет ускоряться. Такой ускоритель получил название “ускоритель на кильватерной волне”. Для релятивистских частиц, скорость которых близка к скорости света, даже маленькое увеличение скорости отвечает большому возрастанию их энергии. В результате ускорения энергия электрона может значительно увеличиться.

Рис. 58 - Возмущение плотности электронов в кильватерной волне, возбуждаемой лазерным импульсом с длительностью 30 фс и мощностью ~30 ТВт в плазме с плотностью 2.2·1018 см-3. По вертикальной оси - радиальная координата, отсчитываемая от оси импульса. По горизонтальной оси - время после прохождения лазерного импульса через данную точку

Проведенные во Франции эксперименты показали, что описанный выше механизм ускорения электронов действительно реализуется. Но полученное увеличение энергии электронов оказалось незначительным из-за очень малой длины, на которой это ускорение возникало.

Сначала считалось, что для возбуждения кильватерных волн лучше всего подходят лазерные импульсы с длительностью, близкой к периоду плазменных колебаний, в то время как более длинные импульсы для этой цели не годятся. Но численные расчеты и последующие эксперименты показали, что это не так. Лазерный импульс, длина которого значительно превосходит длину плазменной волны, а мощность превышает определенную величину, в процессе распространения в плазме изменяет свою форму (рис.5). Сначала возникает модуляция его амплитуды, а затем он разбивается на последовательность более коротких импульсов с периодом следования, равным плазменному периоду. Этот эффект получил название самомодуляции импульса. Между последовательностью коротких импульсов и плазменными колебаниями возникает резонанс. Каждый последующий короткий импульс увеличивает амплитуду той кильватерной волны, которую возбудил первый короткий импульс. В результате уже внутри лазерного импульса поле плазменной волны становится весьма большим и достигает 109 В/см. Часть электронов плазмы при этом захватывается в плазменную волну. Они начинают двигаться вместе с волной и ускоряются до энергии порядка 100 МэВ на длине в несколько миллиметров.

Рис. 59

На первоначальном импульсе с плавно изменяющейся в пространстве интенсивностью (левый рисунок) появляется сначала модуляция амплитуды (средний рисунок), а затем он разбивается на цепочку импульсов малой длины (правый рисунок), расстояние между которыми равно длине плазменной волны lp.

Эксперименты, проведенные во Франции, США, Японии, Англии, показали, что в режиме самомодуляции максимальная энергия ускоренных электронов достаточно высока, но энергетический спектр получается очень широким, что является недостатком с точки зрения возможных применений.

В 2004 г. почти одновременно три экспериментальные группы обнаружили новый режим ускорения электронов, при котором энергия доходила до 250 МэВ, а энергетический спектр был достаточно узким. В этом режиме интенсивность лазерного излучения превосходила 1019 Вт/см2, а длина импульса была близка к длине плазменной волны. Силы высокочастотного давления, действующие на электроны плазмы, были столь велики, что сразу позади импульса возникала почти сферическая область, в которой практически не было электронов. Эту область стали называть bubble (пузырь), а сам режим ускорения - bubble-режимом (рис.6). Из плазмы в эту область захватывалось некоторое количество электронов плазмы, которые и ускорялись.

В настоящее время накоплен уже значительный экспериментальный и теоретический материал, достаточный для проектирования и строительства лазерного ускорителя на энергию электронов более 1000 МэВ. Сейчас несколько таких проектов близки к реализации.

Рис. 60 - Распространение лазерного импульса в bubble-режиме. Сразу сзади за импульсом образуется область, в которой нет электронов (электронный пузырь). В нее захватывается из плазмы маленький электронный сгусток, который ускоряется

протон частица детектор ускорение

В 2000 г. при облучении тонких фольг высокоинтенсивными (более 1018 Вт/см2) лазерными импульсами были обнаружены протоны с энергией до 10 МэВ, вылетающие в основном из задней стенки фольги в направлении распространения импульса . Этот результат вызвал большой интерес. Опыты были повторены во многих лабораториях. Максимальная измеренная энергия протонов в некоторых из них достигала 60 МэВ, а их число доходило до 1012 на один лазерный импульс.

Как возникают протоны с такой высокой энергией? Анализ экспериментальных данных и численные расчеты показали, что под действием лазерного импульса в фольге возникают быстрые электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с ее противоположной стороны. Но далеко улететь они не могут. Их останавливает электрическое поле ионов, оставшихся в фольге. Вблизи задней поверхности мишени образуется отрицательно заряженный слой, состоящий из электронов. Электрическое поле, создаваемое этими электронами, направлено перпендикулярно к поверхности и достигает величины, достаточной для того, чтобы ионизовать атомы, находящиеся на поверхности. Затем, под действием этого же электрического поля, ионы начинает ускоряться. Возникает двойной слой, состоящий из разделенных в пространстве слоев электронов и ионов, который вылетает из мишени. В процессе ускорения энергия от электронов переходит к ионам. Наиболее эффективно ускоряются легкие ионы (протоны), образовавшиеся из атомов водорода, адсорбированного на поверхности фольги (рис. 61).

Рис. 61 - Ускорение ионов (протонов) при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги. Лазерный импульс падает на левую границу фольги, быстрые электроны вылетают через правую границу фольги и ускоряют ионы своим электрическим полем

Такие источники энергичных ионов уже находят применение в протонной радиографии, когда изображение объекта получают, просвечивая его пучком протонов. Таким методом удается, в частности, определить структуру электрических полей внутри исследуемого объекта. Но наибольшие перспективы лазерные источники быстрых ионов имеют в медицине (онкология). Дело в том, что именно протоны целесообразнее использовать для воздействия на раковые опухали. В настоящее время источниками таких протонов служат различные вакуумные ускорители, весьма громоздкие и дорогие. Высказываются надежды, что лазерные источники окажутся более компактными и дешевыми.

Сразу две публикации сообщают о первой экспериментальной реализации новой методики ускорения заряженных частиц - лазерного ускорения над диэлектрическими структурами. Она подкупает не только сильным ускоряющим полем, но и своей дешевизной, полностью оптической конструкцией, компактностью и простотой масштабирования. Практическая реализация такого «ускорителя-на-чипе» позволит резко снизить стоимость и повысить доступность ускорителей для прикладных исследований.

Трудности ускорительной физики

Ускорители элементарных частиц нужны не только физикам, но и обычных людям. Из десятков тысяч ускорителей, которые сейчас существуют в мире, лишь около сотни работают по прямому назначению, для изучения микромира. Все остальные используются для решения прикладных задач в биологии, в материаловедении, в медицине и даже, как это ни странно, для изучения истории Древнего мира (вот лишь один пример). Краткое перечисление этих применений можно найти, например, в брошюре Accelerators and Beams, Tools for discovery and innovation (PDF, 7 Мб).

Главная задача ускорителя - ускорять электроны, протоны и другие частицы до нужных энергий. Конечно, энергия - это не единственная характеристика пучка частиц; обычно еще требуется, чтобы он был узким, интенсивным, хорошо сфокусированным, монохроматичным, с хорошим продольным профилем и т. д. Но первостепенной задачей является именно ускорение. Ускоряют заряженные частицы с помощью продольного электрического поля, и чем сильнее поле, тем более эффективным является ускорение. Пересчет поля в энергии тут элементарный. Если у вас внутри установки создано электрическое поле напряженностью 1 мегавольт на метр (МВ/м), то ускоряющий градиент составляет тот же 1 МэВ/м, то есть на каждом метре пути энергия электрона или протона увеличивается на 1 мегаэлектронвольт (МэВ). Если вы хотите ускорить электрон до энергии 100 ГэВ, будьте добры обеспечить 100-километровый участок с таким градиентом, либо придумайте, как его увеличить.

Ускоряющего поля напряженностью в мегавольты и даже десятки мегавольт на метр современная технология еще позволяет достичь. Обычно внутри специально изготовленной сверхпроводящей камеры сложной формы возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, которая подталкивает пролетающие сквозь нее частицы (проверить свои навыки ускорения частиц можно во флэш-игре LHC Game). Однако градиент больше нескольких десятков МэВ/м в таких камерах получить не удается - металл просто не выдерживает слишком сильного поля, происходит пробой камеры. Именно поэтому линейный электрон-позитронный коллайдер на энергию порядка 1 ТэВ будет длинным, несколько десятков километров, и, как следствие, довольно дорогим.

Другой вариант - сделать ускоритель не линейным, а циклическим, то есть кольцевым (см. устройство типичного ускорителя на интерактивном плакате). Частицы в нем постоянно циркулируют внутри кольцевой трубы, а не проходят всю дистанцию только один раз. Тогда ускорительную секцию можно поставить скромную, зато энергию можно увеличивать, казалось бы, без ограничений - ведь частицы будут пролетать ее миллионы раз в секунду. К сожалению, тут есть другая проблема. Частицы со слишком большой энергией трудно удерживать на кольцевой траектории. На линейном участке - пожалуйста, но как только частице нужно поворачивать, к ней надо прикладывать силу. А это достигается опять-таки за счет внешнего поля - на этот раз магнитного поля внутри поворотного магнита . Поскольку оно ограничено, приходится частицы поворачивать постепенно , то есть увеличивать радиус поворота. Поэтому кольцевые ускорители на большие энергии, например Большой адронный коллайдер, тоже получаются огромными.

В случае циклических ускорителей электронов возникает еще дополнительная проблема: электроны при повороте излучают электромагнитные волны и теряют энергию. Поэтому ускорительная секция должна, прежде всего, компенсировать потери энергии на каждом обороте, а уж потом увеличивать энергию. И когда на одно лишь поддержание энергии требуется тратить сотни мегаватт (!), дальнейшее ее повышение становится просто нерентабельным. А для линейной траектории таких проблем нет.

Получается, в обоих типах ускорителя есть естественное ограничение на энергию частиц, и возникает оно потому, что мы до сих пор не умеем создавать и держать достаточно сильные электрические и магнитные поля. Никакие обычные, отлаженные сейчас ускорительные технологии не могут справиться с этой проблемой.

К счастью, для подавляющего большинства прикладных ускорителей это не проблема. Энергии там требуются небольшие, порядка сотен МэВ, их вполне можно получить и на установке размером несколько метров. Но остаются другие технические проблемы, начиная от высокотехнологического процесса изготовления ускорительных секций и заканчивая сложной инфраструктурой и большим энергопотреблением. Да и компактными такие ускорители не назовешь: под них в любом случае приходится выделять целое здание. О настольном, а тем более портативном ускорителе можно только мечтать.

Попытки разорвать заколдованный круг

Единственный способ резко уменьшить размеры ускорителей и удешевить их производство - найти новую технологию ускорения частиц , которая позволила бы увеличить ускоряющий градиент хотя бы до сотен МэВ/м. И надежды на это есть. Дело в том, что в принципе поле напряженностью в многие гигавольты на метр получить несложно; главная трудность - как его удерживать , ведь такое поле вызовет пробой металлических стенок.

Хорошо известны два способа, как эту трудность обойти: это лазерные и лазерно-плазменные ускорители . Эти технологии уже давно на слуху, см. видео-рассказ , лекцию с многочисленными анимациями, подборку популярных материалов о ней, а также , новость , и задачу на «Элементах». В лазерных ускорителях металлическая фольга облучается сверхмощным лазерным импульсом (пиковая мощность порядка петаватт), который буквально «выдувает» электроны из фольги . В лазерно-плазменной технологии используют не металлические структуры, а ячейки с плазмой; если плазму вывести из состояния равновесия, в ней могут возникать поля аж в сотни гигавольт на метр. Конечно, плазма не будет такое поле держать, но это и не нужно. Достаточно создать его внутри пузырька, который будет лететь вместе со сгустком частиц и ускорять его на всей длине плазменной камеры. Эта технология - давно не фантазия, она уже была успешно продемонстрирована в эксперименте. Уже были достигнуты градиенты в десятки ГэВ/м, то есть в тысячу (!) раз больше, чем с помощью традиционных технологий, правда, на очень коротком участке, длиной в считанные миллиметры.

У этих многообещающих технологий есть, впрочем, и недостатки. Первый - проблемы с масштабируемостью. О лазерных ускорителях вообще нечего говорить: там ускорение получается только однократным при прожигании одного листочка фольги. В лазерно-плазменных огромные поля продемонстрированы пока внутри маленькой камеры размером не более нескольких сантиметров. Для ускорения на большие энергии требуется состыковать множество таких камер друг с другом и синхронизовать образование плазменного пузырька во всех них. Вот эта задача пока остается нерешенной, хотя первые эксперименты по стыковке двух камер уже проведены.

Другая очевидная проблема - поведение пучка ускоряемых частиц. Ведь пучку приходится не только лететь сквозь саму плазму, но и постоянно проходить через стенки камер. Совместимо ли это с требуемыми параметрами пучков и их интенсивностью - вопрос сложный; в любом случае, приходится ломать голову над тем, как бы не испортить пучок ускорением.

И наконец, остается проблема со стоимостью. Даже если удастся создать, скажем, компактный протонный лазерный ускоритель для выжигания раковых опухолей, он всё равно будет использовать сверхмощный лазер, а это очень дорогая установка.

Впрочем, к чести лазерно-плазменных ускорителей надо сказать, что их потенциал далеко не исчерпан. Несколько месяцев назад была описана схема и проведено численное моделирование электронного ускорения в периодической плазменной структуре. Ускоряющие градиенты там получаются совсем заоблачные, много ТэВ/м. Если это удастся реализовать, то хиггсовские бозоны можно будет рождать в настольном ускорителе. Однако от идеи до экспериментальной реализации путь длинный, поэтому эти предложения лежат пока, скорее, в сфере желаемого, чем действительного.

Новая технология ускорения

В сложившейся ситуации с традиционными и лазерно-плазменными ускорителями кажется очень привлекательной еще одна методика - диэлектрический лазерный ускоритель . Не обещая огромных ускоряющих градиентов, эта схема подкупает своей простотой, масштабируемостью, компактностью и дешевизной. Она была предложена не так давно, и до сих пор всё ограничивалось только теоретическими исследованиями этого типа ускорителей. Но сейчас ситуация изменилась: на днях в журналах Nature и Physical Review Letters одновременно вышли две статьи, в которых сообщается о первой успешной реализации этого метода. Ускорение электронов, достигнутое в этих работах, пока что совершенно ничтожно, но за высокой эффективностью тут никто и не гнался - эти опыты лишь успешно доказали, что метод работает. Уже сейчас видно, как без труда улучшить все показатели пучков.

Обрисуем вкратце суть диэлектрического лазерного ускорения на примере статьи в Phys. Rev. Lett. В крошечном образце прозрачного диэлектрика (например, кварцевого стекла) вытравливаются длинные параллельные бороздки с периодом в долю микрона (рис. 2). Получается фазовая дифракционная решетка, но с очень маленьким периодом. Снизу сквозь стекло пропускают лазерный луч с длиной волны чуть больше, чем период решетки. А прямо над этой структурой, параллельно поверхности стекла, пролетает компактный электронный сгусток. Он чувствует только лазерный луч - направленный, заметьте, перпендикулярно движению электронов! - но именно этот лазерный свет его ускоряет (рис. 1).

За счет чего происходит здесь ускорение? Свет с линейной поляризацией, перпендикулярной бороздкам, наводит на них поляризацию. Поэтому в вакууме непосредственно над поверхностью существует колеблющееся периодическое электрическое поле (рис. 3). Если период структуры слишком маленький, то это поле держится около поверхности, словно некий «виртуальный» свет, и не может улететь вверх. Это так называемое ближнее световое поле , или эванесцентная волна (см. задачу на похожую тему). Его можно представить как набор электромагнитных волн, которые бегут вдоль поверхности стекла, но перпендикулярно бороздкам; это движение и показано на рис. 3 в виде последовательных «кадров» состояния поля. Скорость этих волн легко настраивается подбором длины волны света. Теперь важный момент - электрическое поле в этой волне тоже направлено вдоль поверхности, параллельно направлению движения волны. Возникают идеальные условия для ускорения частиц: если электронный сгусток движется с той же скоростью, что и волна, то она его просто подхватывает и несет вперед, попутно разгоняя своим электрическим полем.