Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения

Рис. 1. Схема двухступенчатого полностью оптического лазерно-плазменного ускорителя электронов длиной несколько миллиметров (описание см. в тексте). Изображение из статьи J. S. Liu et al.</p>
Рис. 1. Схема двухступенчатого полностью оптического лазерно-плазменного ускорителя электронов длиной несколько миллиметров (описание см. в тексте). Изображение из статьи J. S. Liu et al.

Сразу две группы экспериментаторов сконструировали новый двухступенчатый лазерно-плазменный ускоритель. Электронный сгусток создается и ускоряется до энергии около 1 ГэВ одним-единственным лазерным импульсом, причем длина тандема «инжектор плюс ускоритель» не превышает одного сантиметра.

Масштабы современных ускорителей элементарных частиц впечатляют. Длина туннеля Большого адронного коллайдера составляет 27 км, а проектируемый сейчас линейный электрон-позитронный коллайдер следующего поколения будет иметь около 50 километров в длину. Такие колоссальные для научных приборов размеры — не прихоть физиков; они возникают по той простой причине, что современные технологии не способны достаточно быстро ускорять элементарные частицы.

Вообще, ускоряют частицы сильным электрическим полем, причем, чем сильнее поле, тем эффективнее ускорение. В современных ускорителях используется электрическое поле стоячей радиоволны, которую накачивают и удерживают в специальных металлических сверхпроводящих резонаторах. Но у этой методики есть свой технологический предел: если радиоволна будет слишком мощной, по поверхности резонатора будут течь слишком большие токи, и материал таких токов просто не выдержит. Поэтому предел электрических полей в резонаторах на сегодня — примерно 20 мегавольт на метр (МВ/м), и подняться существенно выше этого значения вряд ли удастся. Это означает, что достичь энергии 500 ГэВ (планируемая энергия электронов на будущем линейном коллайдере) можно лишь на длине 25 км, из-за чего линейный коллайдер становится не только исключительно сложным, но и очень дорогим прибором.

Возможным решением этой проблемы может стать принципиально новая технология ускорения элементарных частиц. Такая технология существует — это так называемое кильватерное ускорение электронов в плазме, и оно уже даже было реализовано экспериментально. В этой схеме сверхсильное электрическое поле создается не в металлической структуре, а в маленьком движущемся вперед пузырьке плазмы, который порождается либо сверхсильным лазерным импульсом, либо компактным сгустком частиц. Электронный сгусток влетает в этот пузырек и, словно оседлав волну, за короткое время ускоряется до больших энергий (подробности см. в популярной статье Плазменные ускорители).

Эксперимент показал, что электрическое поле в таком плазменном ускорителе может в тысячи раз(!) превышать то, что достижимо в резонаторах. Например, в 2006 году было достигнуто ускорение электронов до энергии 1 ГэВ на участке длиной чуть более 3 см, что отвечает ускоряющему полю напряженностью 30 ГВ/м. Эти достижения открывают головокружительные перспективы — ведь с помощью технологии кильватерного ускорения тот же электрон-позитронный коллайдер на 500 ГэВ можно, казалось бы, уместить в сотню метров. Однако не всё так просто: есть целый ряд трудностей, которые потребуется преодолеть, прежде чем подобные проекты станут реальностью.

Во-первых, такая методика опробована только на участках длиной в сантиметры (впрочем, сейчас появляются предложения, как эту трудность преодолеть). Поэтому для достижения по-настоящему высоких энергий потребуется ускорять частицы, прогоняя их через множество последовательных «ступеней ускорителя». Однако такое комбинирование ускоряющих ячеек пока что не было реализовано. Во-вторых, ускоритель не должен слишком сильно размазывать сгусток ускоренных частиц ни в пространстве, ни по углам расхождения, ни по энергии.

В июле в журнале Physical Review Letters появились сразу две статьи, в которых сообщается о преодолении этих трудностей. Более конкретно, две группы исследователей независимо друг от друга сконструировали двухступенчатый полностью оптический лазерно-плазменный ускоритель электронов. Схема эксперимента показана на рис. 1. Для примера здесь изображена установка китайской группы физиков; схема эксперимента в статье американской группы была очень похожей.

Сердцем установки являются две соосно соединенных цилиндрических камеры миллиметровых размеров. Первая камера заполнена смесью гелия и кислорода; вторая — чистым гелием. Мощный сверхкороткий фокусированный лазерный импульс проходит последовательно через обе камеры, ионизируя газ и создавая плазменный пузырек сначала в первой, а затем во второй камере. Рабочим газом для создания плазмы и ускорения электронов является гелий, а кислород в первой камере нужен как источник электронов. Установка не зря называется «полностью оптическим ускорителем»: никаких внешних электронов в нее не поступает. Электроны порождаются в первой камере за счет ионизации атомов кислорода под действием лазерной вспышки, там же они предварительно разгоняются, затем впрыскиваются во вторую камеру, разгоняются там еще больше (за счет той же самой лазерной вспышки) и потом выходят наружу.

Таким образом, на длине меньше сантиметра физики умудрились создать целый ускорительный комплекс: инжектор с предварительным ускорителем, линия передачи, а затем основной ускоритель. Подчеркнем, что эти две секции ускорителя работают не независимо, а в едином тандеме: один-единственный сверхкороткий лазерный импульс, идущий сквозь обе камеры, выполняет за один проход всю работу: порождает нужные пузырьки плазмы, генерирует компактный электронный сгусток, а затем разгоняет его в двух камерах.

Опыты показали, что энергия электронного сгустка на выходе зависит как от длины ускоряющей секции, так и от мощности вспышки. Зависимость от мощности лазера оказалась не совсем простой: наибольшая энергия электронов на выходе (0,8 ГэВ) достигалась вовсе не при максимальной мощности вспышки. Это связано с тем, что сгустку электронов надо не просто попасть в плазменный пузырек, но и расположиться как можно ближе к его задней стенке — там электрическое поле сильнее всего.

Рис. 2. Энергетическое (по горизонтали) и угловое (по вертикали) распределение электронов после инжектора (вверху) и на выходе двухступенчатого ускорителя (внизу). Изображение из статьи B. B. Pollock et al.
Рис. 2. Энергетическое (по горизонтали) и угловое (по вертикали) распределение электронов после инжектора (вверху) и на выходе двухступенчатого ускорителя (внизу). Изображение из статьи B. B. Pollock et al.

Еще одним успехом этой двухступенчатой схемы ускорения стали замечательные характеристики сгустка электронов на выходе. На рис. 2 показано распределение электронов по энергии и по угловому расхождению сгустка; изображение вверху отвечает только одной стадии (инжектор без ускорителя), изображение внизу — полному тандему. В обоих случаях по горизонтали показана энергия электронов, по вертикали — угловое расхождение в миллирадианах (угол в один градус — это примерно 17 мрад). Картинки вверху и внизу отличаются разительно. После стадии инжектора электроны разгоняются примерно до 100 МэВ, но их энергия размазана в широком интервале. Однако после прохождение второй ступени ускорителя пучок не только приобретает энергию почти 0,5 ГэВ, но и становится намного компактнее, как по энергии, так и по углам.

Авторы обеих работ отмечают, что нынешнюю схему можно еще оптимизировать, достигнув при этом энергий 10 ГэВ. Таким образом, получение компактных многогэвных электронных сгустков в чисто оптическом и практически настольном эксперименте кажется делом ближайшего будущего. Конечно, такой лазерный ускоритель пока не может тягаться с нынешними большими коллайдерами по светимости (т. е. интенсивности пучков). Однако такому пучку, получаемому на очень компактной и относительно дешевой установке, найдется и множество других применений, как научных, так и прикладных. Напомним, что сейчас в мире существует примерно 20 тысяч ускорителей, из которых только около сотни заняты изучением физики микромира, а остальные используются в биомедицинских целях, в материаловедении, в системах безопасности и т. д. Поэтому любой новый тип компактного ускорителя частиц будет тут же взят на вооружение (см. например новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским).

Источники:
1) J. S. Liu et al, All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection // Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011).
2) B. B. Pollock et al, Demonstration of a Narrow Energy Spread, ~0.5GeV Electron Beam from a Two-Stage Laser Wakefield Accelerator // Phys. Rev. Lett. 107, 045001 (2011).

Игорь Иванов


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • GrayFiend  | 17.08.2011 | 18:18 Ответить
    Разработка выглядит многообещающе.
    Замечание не по сути статьи, но если попытаться воспользоваться ссылкой «см. в популярной статье Плазменные ускорители», то KIS выдаёт предупреждение на открываемый сайт следующего вида:
    Статус: Заражен
    Обнаружено: вирус HEUR:Trojan.Script.Generic
    Объект: http://statcounter.345.pl/index.php?tp=4efc246254f4bd45//JIM
    Опасность: Высокая
    Ответить
    • Frank > GrayFiend | 17.08.2011 | 19:24 Ответить
      Установите себе какой-нибудь линукс и живите спокойно :)
      А если серьёзно - эвристические анализаторы обязаны давать ложные срабатывания, и касперский - лидер по количеству срабатываний ;)
      http://ru.wikipedia.org/wiki/Эвристический_анализ
      Ответить
      • GrayFiend > Frank | 18.08.2011 | 09:22 Ответить
        Ага, щаз всё брошу и начну танцы с бубном вокруг какого-нибудь линукса ради того, чтоб всякие сомнительные iframe не беспокоили систему безопасности. :D
        Для спокойной жизни достаточно statcounter.345.pl добавить в запрещённые сайты. ;)
        Ну и если ближе к сути, то меня ситуация вообще слабо беспокоила. Статья та с заблокированным активным содержимым читается вполне нормально. Просто счёт нужным поставить администрацию в известность, что ссылаются на сайт, который вполне может быть инфицирован. Если всех устраивает — ради бога, сообщение(я) можно снести.
        Ответить
        • Frank > GrayFiend | 18.08.2011 | 10:05 Ответить
          Ещё раз для непонятливых :) Это ложное срабатывание, и нечего разводить паранойю из-за маркетинговой политики лаборатории касперского. Мало того, что бесполезно тратите ресурсы своего компьютера на антивирус, так ещё и администрацию сайта пытаетесь на пустяки отвлекать. Будете на каждое срабатывание эвристика банами раскидываться - пол интернета себе обрубите.
          Ответить
          • GrayFiend > Frank | 18.08.2011 | 15:48 Ответить
            Хех. Забавно. Вроде б не то место, чтоб заниматься пропагандой личных предпочтений в отношении OS и систем безопасности, или разводить holywar на эту тему, и уж тем более так активно переживать из-за использования ресурсов чего-то там компьютера, но Вы зачем-то упорно этим занимаетесь.
            Ещё раз повторю суть предыдущего сообщения на случай, если в процессе сего действа она ускользнула от понимания: от администрации никто ничего не требовал, в том числе даже ответа, поскольку за содержимое другого сайта она явно никак не отвечает. Я только поставил в известность, и ничего более. И уж явно не ожидал, что меня будут агитировать на Линукс переходить, или от антивируса отказываться, перемежая это ещё и ненужными личными выпадами.
            Ну и что касается «ложных срабатываний», то пара минут использования поисковика в отношении 345.pl показывает, что он в некоторых DSNBL проходит по категории abuse. Считать ли это тоже чьей-то «маркетинговой политикой», или может там «происками конкурентов» — на личное усмотрение каждого.
            В целом, со свой стороны вопрос считаю исчерпанным, и далее продолжать сие бесперспективное обсуждение не буду, поскольку действительно, на переписку с Вами ушло больше времени, чем того стоил данный вопрос. Если Вы являетесь представителем администрации, и позиция про «эвристику» — официальная, то, повторюсь, снесите сообщения, да и бог с ним. Если же Вы просто доброхот-защитник-администрации-от-отвлекания-по-пустякам, то можете считать свою миссию успешно выполненной.
            Ответить
            • kbob > GrayFiend | 19.08.2011 | 07:14 Ответить
              ы-ы-ы-ы-ы! как виндузятники с бубном пляшут, по поводу ложных срабатываний Касперского. Улыбнуло.
              Ответить
          • bizya > Frank | 21.08.2011 | 14:29 Ответить
            ололо/
            -А как зарабатывают в интернете?
            -Отправь смс на короткий номер 4242, скажу.
            -Отправил.
            -Ну вот так и зарабатывают.
            Ответить
  • otto  | 17.08.2011 | 19:11 Ответить
    Бла́стер (англ. blaster, букв. «взрыватель») — распространенное название вымышленного энергетического оружия в научной фантастике и космической опере. Бластером традиционно называют практически любое энергетическое оружие (особенно — ручное). По форме бластер, как правило, напоминает обычное огнестрельное оружие соответствующих размеров и назначения.
    Ответить
  • PavelS  | 17.08.2011 | 22:20 Ответить
    Интересно, почему у них область разгона в 1мм? Неужели место на столе закончилось? Или таки технология не столь хорошо масштабируется, как это преподносится. Что-то второе более правдоподобно.

    В остальном: не плохо конечно, но 1ГэВ для электронов на лазерных ускорителях получен ТАК давно, что даже скучно как-то.
    Ответить
    • spark > PavelS | 17.08.2011 | 23:39 Ответить
      0.8 ГэВ они на трех миллиметрах получают.
      Пока это скорее proof-of-concept передачи из одной камеры в другую, т.е. разнесение стадии создания и инжекции и основного ускорителя. Посмотрим, удастся ли несколько камер пройти друг за другом.
      Ответить
      • Frank > spark | 18.08.2011 | 10:15 Ответить
        Вероятно, теперь будут решать две другие проблемы: 1) подбор параметров (состав газа) третьей камеры и 2) подвод энергии к ней (так как подводить тем же лучом через первые две камеры скорей всего не получится из-за эффекта "рассинхронизации" электронов и плазменного шара, описанного в статье, из-за большой мощности).
        Ответить
        • AgentRX > Frank | 18.08.2011 | 21:13 Ответить
          Также интересно, какой предел скорости у пузырька в плазме. Не может получится так, что энергия 10-20 ГэВ и будет пределом каскадов таких "ускорителей"?
          Ответить
          • PavelS > AgentRX | 19.08.2011 | 02:25 Ответить
            -- посидел, подумал, поправил ----
            Ваш вопрос действительно интересен для меня (неспециалиста). Вроде проскакивала инфа, что быстрые электроны обгоняют пузырёк и тратят свою энергию на усиление пузырька, т.е. разгон медленных, и так работает фокусировка. Вот не получится ли, что впрыскивая электроны на 2ГэВ, будут подхватываться медленные и разгоняться, так что будет всё равно 1ГэВ-ный выход? И если задавать вопросы, то мне интересней вот что: почему электроны "подхватываются" на волну лишь в инжекторе, а потом уже нет?

            Также очевидно, что приближаясь к скорости света, разброс скоростей будет меньше. Не перестанет ли работать фокусировка?

            По этой причине ИМХО пузырёк и электроны вообще не обязаны двигаться с одной скоростью. Пузырёк может быть медленней, но в каждой камере - свой, от своего лазера, так что в каждой камере электроны были бы четко на волне.
            Ответить
      • PavelS > spark | 19.08.2011 | 03:06 Ответить
        Уточню что мне не понравилось. У них инжектор и основной ускоритель негибко согласованы в плане времени-фазы инжекции и фазы кильватерной волны, я так понял. То же и про энергию волны. А причина в том, что лазерный лучик вводится лишь в одном месте - он и выбивает, он и разгоняет.

        Вот вы пишете "Мощный сверхкороткий фокусированный лазерный импульс проходит последовательно через обе камеры, ионизируя газ и создавая плазменный пузырек сначала в первой, а затем во второй камере. ... наибольшая энергия электронов на выходе (0,8 ГэВ) достигалась вовсе не при максимальной мощности вспышки. Это связано с тем, что сгустку электронов надо не просто попасть в плазменный пузырек, но и расположиться как можно ближе к его задней стенке — там электрическое поле сильнее всего.".

        А вот был бы ускоритель действительно независимым блоком от инжектора - были б две вспышки каждая в свою камеру - то одна (послабее) выбивала бы электроны, вторая (посильнее и со сдвигом на микроны вперёд) разгоняла - и всё было б ОК, при правильно подобранном сдвиге фазы кильватерной волны был бы смысл "жарить" лазером на полную мощность.

        Ну и было б очевидно, что можно сделать каскад из 100 таких ускорителей последовательно - пока что это не очевидно.
        Ответить
  • Манагуа  | 18.08.2011 | 14:53 Ответить
    Нада использовать гамма-лазер на осмии-187. Тагда бальшой андронный каллайдер ни нужен.
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»