Как работает лазерный ускоритель

В другую сторону

Если лазер научились использовать для охлаждения материи, точнее, для замедления ее до сверхнизких скоростей, то возникает естественный вопрос: можно ли, напротив, ее ускорить? Ответ положительный, этим занимаются во многих лабораториях мира, в том числе в совместной лаборатории релятивистской лазерной плазмы Физического института имени П.Н. Лебедева и Международного лазерного центра МГУ имени М.В. Ломоносова. Разгоняют здесь не атомы, а ионы и электроны. Остановимся для примера на электронах. Итак, обо всем по порядку.

Почему вообще родилась идея использовать лазеры для ускорения частиц? Существуют же ускорители… почему не обойтись ими? Суть в том, что для ускорения частиц требуются либо сильные поля, либо поля послабее, но на протяженных расстояниях. Природа так устроена, что сильное поле невозможно создать в вакууме, окруженном твердыми предметами. «Как только прикладывается сильное поле, все, из чего состоит любая конструкция, ионизуется. Вырываются электроны, идет лавина, возникает пробой. В таких условиях никакие эксперименты не пойдут», — поясняет главный научный сотрудник ФИАН Валерий Быченков, занимающийся проблемами лазерного ускорения заряженных частиц. Иное дело плазма — среда, состоящая из ионизованных частиц. Она уже по определению может выдержать сильные поля, а лазер в состоянии создать и поля, и саму плазму. Иными словами, ускорять частицы здесь можно на маленьких масштабах. Первая такая идея появилась 30 лет назад, но подходящие лазеры появились только ближе к концу XX века, и это направление стало интенсивно развиваться.

Итак, для лазерного ускорителя нужны лазер и облако газа. Проходя сквозь газ, мощный импульс лазерного луча выталкивает на своем пути электроны. Можно достичь такого режима, что позади импульса образуется область, практически полностью лишенная отрицательно заряженных частиц («дырка»).

«Именно в этой области, — говорит Быченков, — можно наиболее эффективно ускорять электроны. Дырка движется за лазерным импульсом. В обратном направлении ее обтекают вытолкнутые лазером электроны. Те, что попадут внутрь, — ускорятся».

Ученые называют возникающую структуру bubble (пузырь — англ.). Она и вправду похожа на пузырь — без электронов внутри, с «пленкой» из электронов снаружи. Но ускориться могут только те электроны, которые попадут в сам «пузырь». Именно с изящным методом внедрения таких электронов связано научное достижение теоретической группы ФИАН, возглавляемой Валерием Быченковым. Они предложили схему, с помощью которой в итоге был достигнут принципиально новый уровень энергий электронов — 1,5 ГэВ (до этого весь мир много лет «топтался» на уровне, не превосходящем 1 ГэВ).

Задумка российских ученых состояла в следующем. Обычно в качестве рабочего вещества плазмы берут гелий: он очень легко ионизуется лазером. И в этом проблема: «кончик», или, лучше сказать, передний фронт лазерного импульса имеет небольшую интенсивность, но все равно «сдувает» все электроны с атомов гелия, и большинство из них уходит далеко от «пузыря».

Фиановцы предложили использовать газ потяжелее, например азот или кислород, энергия полной ионизации которых выше.

То есть часть легких электронов с внешних оболочек атома уйдет с передним фронтом, а часть останется и дождется пика лазерного импульса. Он их тоже «сдует», но пойдут они уже совсем по другим траекториям, попадая в «пузырь» и в нем ускоряясь.

Дальше нужен был эксперимент, и российские физики нашли его, уже готовый, — только, увы, в Мичиганском университете (США). Однако американцы не сразу поверили ученым из России: ведь если в плазме применять атомы газов с большим числом электронов, это мешает распространению лазерного луча.

Тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс на сапфире с титаном МЛЦ МГУ. На нем проводятся, в частности, эксперименты по лазерному ускорению заряженных частиц. Фото Григория Головина, Игната Соловья, STRF.ru

«Американцы хотели работать с гелием, — вспоминает Быченков. — Приходят они утром на работу, включают лазер с гелием и наблюдают ускорение электронов. А ближе к ланчу картинка исчезает. Получается анекдот: чем исследователи голоднее, тем меньше у них шансов получить электроны. Вечером они расстроенные уходят домой, утром возвращаются, включают установку, получают электроны…. те ближе к обеду исчезают. И так всю дорогу… Выяснилось: когда установка вечером выключалась, все капилляры и патрубки заполнялись воздухом. Утром в системе был якобы «гелий», а на самом деле и более тяжелые элементы — азот и кислород. Затем трубки наполнялись чистым гелием, и… как говорится, смотрите выше. Иными словами, тяжелые элементы надо было брать в небольшом количестве, тогда это на распространение лазерного света не повлияет — что, собственно, и хотелось попробовать с самого начала, и что, собственно, и получилось в эксперименте само собой».

В конце концов все это интересная физика, но лазерный ускоритель — не просто красивая игрушка. С его помощью можно создавать специальные источники рентгеновского и гамма-излучения. Конечно, для рентгена легких они не подойдут, но ими, в частности, можно проводить проверку любого контейнера с радиоактивными материалами без его вскрытия. Обычно без дополнительных исследований нельзя сказать, что в нем находится. Однако если контейнер облучить из источника, основанного на ускоренных лазером частицах, то можно «пробежать» по целому спектру гамма-излучения, и на какой-то длине волны радиоактивный материал обязательно отзовется, а это позволит определить его природу.

Как ускорение, так и замедление частиц с помощью лазера — это сравнительно новые области исследований. И можно не только найти им какие-то применения, но и дойти до таких экстремальных состояний, которые никаким другим образом получить нельзя. А ведь, как уже говорилось в начале, именно в экстремальных состояниях рождается действительно новое в науке. В частности, при охлаждении атомов это конденсат Бозе—Эйнштейна. Лазерное ускорение пока не достигло столь «экстремальных» успехов. Но ученые надеются, что, ускоряя лазером уже протоны, смогут достичь гигантских значений магнитного поля в узких областях пространства — до 1 млн тесла (для сравнения: мировой рекорд для постоянного магнитного поля — всего несколько десятков тесла, а поля в атомах не превышают 10 тысяч тесла). Предсказать, что это откроет для физики, мы, конечно же, не возьмемся — предоставим это читателю. Для затравки лишь добавим, что поля именно такого порядка существуют в очень любопытных объектах нашей Вселенной — нейтронных звездах, имеющих гигантскую плотность до 10¹⁸ кг/м³.

Статья опубликована в журнале NewScientist № 7-8, 2011 год.

Дата добавления: 2015-05-26