Реализована новая технология ускорения частиц — полностью оптическая, дешевая и компактная

Рис. 1. Схема работы диэлектрического лазерного ускорителя. На кварцевое стекло с периодическими бороздками субмикронного размера светит лазерный луч, а вдоль поверхности, перпендикулярно бороздкам и лучу, пускается поток электронов. Бегущая вдоль поверхности эванесцентная световая волна подхватывает электроны и ускоряет их своим полем. Изображение с сайта physics.aps.org

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, подробную обзорную статью, а также статью, 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

Рис. 2. Электронная микрофотография прозрачного бруска из кварцевого стекла с вытравленными на нем периодическими бороздками. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

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.

Рис. 3. Принцип ускорения в диэлектрическом лазерном ускорителе. Лазерный свет, идущий снизу, создает над поверхностью переменное во времени и пространстве электрическое поле, направленное параллельно поверхности. Три последовательных изображения показывают конфигурацию поля в три последующих момента времени, разделенных на четверть периода колебания световой волны. Пролетая над поверхностью и попадая в это поле, заряженные частицы будут ускоряться (частица 1), замедляться (частица 2), или расходиться в стороны (частицы 3 и 4) в зависимости от их расположения. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

В другой статье, опубликованной в Nature, система лишь чуть-чуть сложнее. Там вместо одного стекла с бороздками использовались два, выставленные зубцами напротив друг друга и разделенные зазором в долю микрона (рис. 4, слева). Вся структура целиком имела примерно по полмиллиметра в длину и в ширину (рис. 4, справа). Лазерный луч тоже светил перпендикулярно поверхности, вдоль которой в зазоре летел электронный сгусток и разгонялся электрическим полем.

Рис. 4. Электронная микрофотография зазора между двумя решетками (слева) и вся структура целиком на кончике пальца (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Ускоряющий градиент, достигнутый в первой статье, не слишком впечатляет: 25 МэВ/м (что, впрочем, уже сравнимо с рекордами традиционных ускорительных технологий). Однако такой скромный результат был получен только потому, что авторы статьи поставили перед собой более сложную задачу, чем обычно, — разогнать электроны, которые изначально были нерелятивистские. Релятивистские же электроны разгоняются намного эффективнее, и во второй статье речь идет уже о градиенте вплоть до 300 МэВ/м. Судя по всему, этот градиент можно будет повысить еще в несколько раз.

За счет чего в этом методе удается получать ускоряющий градиент на порядок сильнее, чем в традиционных технологиях? Да просто за счет того, что здесь используется не металл, а диэлектрик. Металл чувствительнее откликается на сильное электрическое поле, поскольку в нем есть свободные электроны. Поэтому те поля, которые вызовут пробой в металлической камере, диэлектрик еще держит. Исследования показали, что такие структуры из кварцевого стекла держат поле как минимум 9 ГВ/м, значит, градиент свыше 1 ГэВ/м в таком ускорителе кажется вполне реальным.

Достоинства новой технологии

Приведенное выше число, конечно, сильно превышает ускоряющие градиенты в современных ускорителях, но ему далеко до рекордов лазерно-плазменных ускорителей. Однако у диэлектрического ускорителя есть сразу несколько впечатляющих достоинств, которые делают его серьезным конкурентом.

Во-первых, его изготовление и управление несравненно проще, чем для традиционных или для лазерно-плазменных ускорителей. Нужные структуры легко и массово изготавливаются на уже существующих технологических линиях, например на тех, где производятся микрочипы. Сделать цельное стеклышко с несколькими идущими друг за другом структурами проще простого (рис. 5, слева). Лазер в обеих работах использовался самый обычный, коммерчески доступный, а вовсе не какой-то сверхмощный.

Рис. 5. Слева: кварцевая пластина с сотнями нужных диэлектрических структур; справа: условная схема установки «ускоритель-на-чипе», в которой все элементы циклического ускорителя выполнены в виде структур в цельной пластине и управляются лазерными импульсами. Изображения из обсуждаемых статей.

Во-вторых, диэлектрический ускоритель отлично масштабируется. Сделать много таких стекол, как на рис. 5, и установить их в одной вакуумной камере с аккуратным выравниванием по высоте, по-видимому, несложно. Синхронизацию по фазе добиться тоже легко: надо просто каждую структуру в этой цепочке запускать единым лазерным импульсом. Есть, правда, некая тонкость, как начать с нерелятивистских электронов и закончить ультрарелятивистскими, но, как показывает первая статья, она вполне преодолима. Поэтому компактные установки длиной в пару метров, ускоряющие частицы до сотен МэВ, кажутся вполне реальными.

В-третьих, большой плюс этой технологии ускорения состоит в том, что она полностью оптическая и практически непрерывная (то есть работает в течение длительного времени на импульсном лазере с миллионами импульсов в секунду). Не надо мучиться с электромагнитами, а тем более со сверхпроводниками, как в обычных ускорителях; не надо выстреливать сверхмощными световыми импульсами и прожигать фольгу, как в лазерных; не надо поддерживать плазму в специальных камерах и создавать в ней колеблющиеся пузыри с полем. Правильное стеклышко, вакуум и свет — это всё, что требуется для диэлектрического ускорения. Более того, поскольку в этом оптическом устройстве нет никаких движущихся частей, то возникает еще одно преимущество — исключительное быстродействие при переключении режимов.

В-четвертых, описанная методика позволяет не только разгонять частицы, но и производить другие манипуляции с пучками — поворачивать их и даже фокусировать. В результате кажется реализуемой удивительная конструкция, которую можно назвать «ускоритель-на-чипе» (рис. 5, справа). Внутри одного-единственного стекла будут выполнены все ключевые элементы циклического ускорителя, а пользователю нужно будет лишь обеспечить впрыскивание частиц и светить лазерным лучом в нужном месте в нужное время. В свете всех этих описанных достижений такие дешевые и ультрапортативные ускорители уже не кажутся чем-то фантастическим.

Такая интересная комбинация преимуществ позволяет задуматься и о новых установках, которые поначалу не приходили в голову. Например, если не гнаться за энергией, но обеспечить компактность и монохроматичность электронного сгустка, а также контролируемое включение-выключение и отклонение, то можно получить новый (и притом очень компактный!) инструмент для сверхбыстрой электронной дифракции или время-разрешенной электронной микроскопии.

Конечно, некоторые трудности реализации пока остаются и здесь. Например, требуется обеспечить подходящие параметры пучка на входе в структуру; всё-таки ему надо втиснуться в зазор меньше микрона и не слишком расходиться в стороны. Для идеальной работы диэлектрического ускорителя требуется также, чтобы электронный пучок на входе был разбит на ультракороткие и равноотстоящие друг от друга сгустки. Однако раз уже сейчас есть работающие устройства, эти трудности, по-видимому, не принципиальны.

Источники:
1) J. Breuer, P. Hommelhoff. Laser-Based Acceleration of Nonrelativistic Electrons at a Dielectric Structure // Phys. Rev. Lett. 111, 134803 (2013); статья свободно доступна в виде е-принта arXiv:1308.0464 [physics.optics].
2) E. A. Peralta et al. Demonstration of electron acceleration in a laser-driven dielectric microstructure // Nature (2013), публикация «online first».

См. также:
1) Focus: Accelerating Electrons with Light, заметка из журнала Physics.
2) Researchers Demonstrate ‘Accelerator on a Chip’, пресс-релиз Стэнфордской национальной лаборатории.
3) R. J. England, R. J. Noble, Z. Wu, M. Qi. Dielectric Laser Acceleration // е-принт arXiv:1309.7637 [physics.acc-ph].

Игорь Иванов