Наука и жизнь // Иллюстрации

Лазерная установка «Геркулес» Центра ультрабыстрых оптических явлений Мичиганского университета (США). Фото предоставил Анатолий Максимчук, научный сотрудник Центра.

Линейный ускоритель Стэнфордской национальной ускорительной лаборатории (США). Фото Peter Kaminski.

Энрико Ферми с рисунком циклотрона диаметром более 12,5 тысячи километров — фермитрона.

Схема ускорения электронов при самофокусировке лазерного импульса в плазме. На длине 1 сантиметр они набирают энергию до 800 МэВ.

Пузырёк, образованный лазером, ускоряет электроны, вброшенные (инжектированные) в плазму. Ускоряющее поле сосредоточено вблизи его задней границы.

Схема ускорения протонов с задней поверхности фольги. Они вылетают из атомов водорода воды, тонкой плёнкой покрывающей фольгу.

Ускорение протонов из сверхтонкой фольги в режиме направленного кулоновского взрыва.

Итак, чем же притягательны лазеры ультракороткой длительности? Прежде всего именно своей чрезвычайно короткой длительностью, позволяющей добиваться рекордной мощности при разумной энергии лазера. Так, для сравнительно невысокой энергии лазера в 30 Дж, мощность, отвечающая 30 фс длительности лазерного импульса, составляет 1 петаватт (ПВт) = 10¹⁵ Вт, то есть превышает суммарную мощность всех электростанций мира! Вдобавок лазерное излучение допускает концентрацию энергии в объёме микронных размеров и тем самым рекордную плотность энергии. Современные методы фокусировки лазерного излучения позволяют сводить лазерные лучи в пятно размером, близким к дифракционному пределу, порядка 1 микрона (мкм). Соответственно, плотность потока энергии 1 ПВт лазерного импульса может доходить до 10²³ Вт/см². Уже сейчас на менее мощной, 300 ТВт, установке «Геркулес» достигнута рекордная интенсивность 2×10²² Вт/см² [1]. Если же учесть, что энергия, которую может нести ультракороткий лазерный импульс, может доходить до сотен джоулей, то в ближайшие годы следует ожидать появления ещё более интенсивных лазеров. Причём это не гигантские «лазерные заводы» на уровне мегаджоульной энергии, создаваемые в настоящее время для целей лазерного термоядерного синтеза, а вполне компактные установки лабораторного масштаба. О них принято говорить как о сверхмощных лазерах на столе. А если появляются такие лазеры, не станут ли они создавать на столе сверхсильные электрические поля, способные ускорять частицы, причём с темпом ускорения, намного превосходящим достигнутый на ускорителях, включая самую крупную экспериментальную установку в мире — Большой адронный коллайдер? Ответ на этот вопрос положителен, но прежде чем его детально обсудить, подойдём к нему с исторической стороны.

В течение последнего столетия любо-знательное человечество упорно осваивало разные типы ускорителей, стремясь разгонять заряженные частицы до всё больших и больших энергий, что требовалось для постижения тайн микромира. Сформировался самостоятельный раздел физики элементарных частиц — физика высоких энергий, — изучающий взаимодействия элементарных частиц при энергиях столкновений, существенно превышающих массы самих сталкивающихся частиц. Однако, чем до более высокой энергии ускоряются частицы, тем больший размер приобретает ускоритель. Наибольший линейный ускоритель сооружён в Стэнфордском университете (США), и на длине 2 мили (3,2 км) он ускоряет электроны и позитроны до энергии около 50 ГэВ. Заметим, что линейные ускорители обладают одним существенным преимуществом перед циклическими — в них электроны не теряют энергию, так как вследствие постоянства скорости по величине и по направлению почти не излучают. Предельная энергия частиц может быть увеличена простым наращиванием длины, но это сдерживается экономическими соображениями. Дело в том, что в ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы, а все детали ускорителя состоят из атомов, электроны которых легко отрываются от ядер, если приложить достаточно сильное электрическое поле. В лучших случаях удаётся добиться высоковольтной прочности, отвечающей напряжённости поля порядка 100 мегавольт (МВ)
на метр. При дальнейшем повышении напряжённости с поверхности материалов начинается интенсивное вырывание электронов, которые ударяются о стенки, порождая лавины вторичных электронов. Затем наступает высоковольтный разряд, приводящий к разрушению.

В линейных ускорителях лёгкие частицы, как правило, разгоняются электрическим высокочастотным полем, двигаясь синхронно (в резонанс) с изменениями поля, чтобы электрическая сила была всё время в ускоряющей фазе по отношению к движущейся частице. По существу используется принцип «сёрфинга частиц» на высокочастотной волне. В больших линейных ускорителях высокочастотную мощность генерируют большие электровакуумные приборы — клистроны, на частоте нескольких гигагерц (ГГц). Угроза возникновения пробоя существенно ограничивает величину допустимой напряжённости высокочастотного поля и соответственно темп набора энергии. Если отвлечься от экономической целесообразности, сама планета Земля ограничивает предельную энергию частиц, которая может быть достигнута с помощью традиционных ускорителей. В связи с этим интересно вспомнить гипотетический, охватывающий всю Землю, ускоритель, который можно назвать фермитроном, поскольку его набросок был сделан Э. Ферми в 1940-е годы. Даже такой ускоритель не позволит электрону набрать энергию выше 1 петаэлектронвольт (ПэВ) = 10¹⁵ эВ. Очевидно, что простое увеличение длины ускорителя ведёт в тупик, коль скоро мы ставим задачу качественного прорыва в эффективности ускорения. Если для достижения электронами энергии 1 ГэВ в линейном ускорителе требуется длина
100 м, то для энергии 1 ТэВ уже будет требоваться ускоритель длиной 100 км!

Существенное повышение темпа ускорения частиц при использовании мощных короткоимпульсных лазеров могло бы кардинально уменьшить размеры ускорителя. Действительно, обсуждаемые лазерные импульсы могут возбуждать сверхсильные поля, но этого, как мы видели, оказывается недостаточно. Требуется отказаться от вакуума с конструктивными элементами традиционной ускорительной техники, заменив его средой, способной выдерживать сверхсильные поля. И здесь на помощь приходит сама природа. Под действием интенсивных лазерных импульсов любое вещество превращается в плазму. Это легко понять, если учесть, что внутриатомные поля оказываются малыми по сравнению с лазерными полями. Распространяясь, например, по газу, лазерный импульс полностью его ионизует на своём переднем фронте. Возникающая за фронтом плазма и есть та благодатная среда, которая допускает существование в ней гигантских электрических полей. И если предельное электрическое поле для традиционного ускорителя, как мы видели, не превышает 100 МВ/м, то в плазме оно может быть по крайней мере на три порядка выше — 100 ГВ/м, и, следовательно, длина ускорителя может быть во столько же раз меньше! Остаётся лишь создать в плазме высокочастотное поле, подобное полю в линейном ускорителе. Это придумали уже более тридцати лет назад [2], но только недавно реализовали для получения сгустков электронов с энергией в сотни МэВ.

Распространяясь в плазме, лазерный импульс выталкивает собой электроны. Поскольку ионы слишком массивны, они остаются практически неподвижными, образуя однородный положительно заряженный фон. Электрическое поле этого положительного заряда стремится вернуть назад вытолкнутые импульсом электроны. Ускоряясь этим полем, электроны проскакивают своё начальное положение. Так возникают колебания относительно ионов, которые называют плазменными. Поскольку лазерный импульс бежит по плазме, эти колебания следуют прямо за ним. На хвосте импульса возникает область пониженной электронной плотности, следом — повышенной, затем опять пониженной и т.д. В такой волне, волне разделения зарядов, называемой физиками кильватерной волной, фаза распространяется по плазме со скоростью импульса (близкой к скорости света). Электрическое поле этой волны подобно высокочастотному полю линейного ускорителя. В одной половине периода оно направлено по направлению распространения импульса, а в другой — в противоположном направлении. Теперь нужно электрон с начальной скоростью, близкой к скорости импульса, поместить в ускоряющую часть плазменного полупериода, и тогда он, двигаясь вместе с волной, начнёт ускоряться. Такой метод ускорения получил название кильватерного. Однако он будет работать, только если лазерный импульс, распространяясь по плазме, не станет расходиться. И здесь опять на помощь приходит природа в виде явления самофокусировки света в плазме, которое предсказал советский физик Г. А. Аскарьян в 1961 году. Оно позволяет лазерному импульсу проходить большое расстояние в плазме почти без потери интенсивности, тем самым обеспечивая большой набор энергии ускоряемыми частицами. На сегодняшний день рекорд по энергии ускоренных электронов составляет 800 МэВ. Такую энергию они набирали на длине 1 см. Когда же лазерному импульсу искусственно помогли не расходиться, направив его по капилляру, заполненному плазмой, удалось ускорить электроны до энергии 1 ГэВ на длине 3 см.

Отметим, что энергии электронов в сотни МэВ, полученные при кильватерном ускорении, были достигнуты в результате возбуждения лазерным импульсом весьма своеобразного плазменного поля, которое имело всего один период. В этом режиме интенсивность светового импульса превосходила 10¹⁹ Вт/см², и давление света на электроны плазмы было столь велико, что позади импульса возникала округлая область, в которой практически не стало электронов. За таким режимом закрепилось название bubble-режим (bubble (англ.) — «пузырёк»). Фактически за импульсом летит положительно заряженная дырка с характерным размером порядка диаметра лазерного пятна (10–20 микрон); плазменное поле, способное ускорять электроны, сосредоточено вблизи её задней границы. И здесь правомерен вопрос: о каком ускорении может идти речь, если на первый взгляд в формирующейся структуре и ускорять-то нечего, поскольку почти все электроны выдавлены из пузырька. Это наглядно демонстрирует проблему кильватерного ускорения — обеспечение эффективной инжекции электронов в ускоряющее плазменное поле. Однако она возникает и без принятия специальных мер. Это так называемая самоинжекция, когда по разным причинам небольшое количество электронов с релятивистской скоростью впрыскивается в ускоряющее поле. В bubble-режиме это происходит благодаря радиальному электрическому полю положительно заряженного пузырька. На рисунке траектории этих электронов, собирающихся с периферии пузырька, иллюстрирует полукруглая стрелка. Поскольку таких электронов немного, то и ток ускоренных частиц весьма мал. Как правило, речь идёт о полном заряде ускоренных до высокой энергии частиц на уровне всего лишь десятков пикокулонов (10^–12 Кл).

Уже давно обсуждаются различные схемы инжекции электронов в ускоряющее плазменное поле, позволяющие и получить электроны со скоростью, близкой к скорости света, и добиться их значительного количества. Предлагалось, например, использовать заранее приготовленный пучок электронов, синхронизованный с лазерным импульсом, в который он впрыскивается. При этой, так называемой оптической, инжекции электронный сгусток создаётся давлением света дополнительного импульса и ещё рядом специальных приёмов. Не буду подробно останавливаться на этом, а в качестве примера приведу лишь один приём, появление которого связано с курьёзным случаем из личной практики.

Много лет мы, теоретики ФИАНа, сотрудничаем с экспериментаторами Центра ультрабыстрых оптических явлений (CUOS) Мичиганского университета (США), где функционирует упоминавшаяся выше лазерная система «Геркулес» с максимальной в мире интенсивностью. На этой установке исследователи CUOS добились устойчивой генерации сгустков электронов в bubble-режиме при облучении газовой струи гелия, варьируя параметры лазера и струи. Мы же совместно с учёными из Российского федерального ядерного центра — Всероссийского НИИ технической физики им. академика Е. И. Забабахина для такого режима теоретически разрабатывали идею так называемой ионизационной инжекции. Её смысл состоит в том, чтобы в качестве мишени использовать не гелий, который полностью ионизируется на фронте лазерного импульса, позади которого почти не остаётся электронов для ускорения, а более тяжёлый газ. Он не станет ионизироваться передним фронтом лазерного импульса до конца, но может доионизировываться на максимуме импульса, где сильное лазерное поле способно вырвать электроны с нижних оболочек атома. Тогда эти электроны могли бы быть более эффективно захвачены плазменным полем и ускорены, что, по нашему мнению, привело бы к повышению тока высокоэнергичных частиц. Однако наше предложение использовать более тяжёлый газ экспериментаторы CUOS встретили со скепсисом, и на это действительно были разумные доводы. Дело в том, что тяжёлый атом при ионизации даёт так много электронов, что образующаяся плазма препятствует прохождению лазерного импульса. Таким образом, экспериментаторы продолжали опыты с гелием, а мы, теоретики, пытались подобрать более подходящий тяжёлый газ. Как часто бывает, истина лежала посередине, и на неё помог выйти случившийся курьёз.

Получение устойчивой генерации сгустков электронов высокой энергии предполагает, что их станут обнаруживать в каждом выстреле лазера. Но это невозможно при малом количестве ускоренных частиц. Однако такая более или менее устойчивая генерация всё-таки наблюдалась, причём исключительно по утрам, в начале рабочего дня. Через два-три часа она прекращалась, и всё оставшееся время эксперимент то давал, то не давал ускоренных частиц. В конце концов появилась догадка, что более устойчивой генерации электронов в утренние часы способствует воздух, проникший за ночь в патрубки, шланги и прочие устройства, создающие гелиевую струю. Таким образом, утром эксперимент проходил не с абсолютно чистым гелием, а с гелием, содержащим небольшую примесь тяжёлых атомов (азот, кислород). Догадку целенаправленно проверили, добавляя в гелий небольшое количество разных инертных газов и азота. Подбирая концентрацию тяжёлых атомов, экспериментаторам CUOS удалось добиться увеличения количества ускоренных частиц на два порядка. Так был открыт механизм ионизационной инжекции электронов. Замечу, только что стало известно об экспериментах, проведённых исследователями из Университета Калифорнии (Лос-Анджелес) и Ливерморской национальной лаборатории США, в которых благодаря ионизационной инжекции удалось ускорить электроны до энергии 1,5 ГэВ. Научная общественность с нетерпением ждёт публикации этих результатов.

Другая плазменная среда, которая могла бы ускорять частицы, — плазма с плотностью твёрдого тела. Она естественным образом образуется под действием короткого лазерного импульса, облучающего фольгу. Как правило, толщина фольг составляет от одного микрона до нескольких десятков. В последние годы твердотельные лазерные мишени стали широко применять в качестве источника релятивистских электронов. На их основе даже создан «ускоритель» непрерывного действия при использовании лазерных импульсов, следующих один за другим с высокой, практически килогерцовой (тысяча импульсов за секунду), частотой повторения [3]. На твердотельных мишенях можно существенно поднять количество ускоренных за одну лазерную вспышку электронов. Однако их энергия ниже, чем в случае газовой плазмы. Здесь мы не будем останавливаться на ускорении электронов из фольг, а поговорим об ускорении с их помощью более тяжёлых частиц — протонов.

Как же происходит ускорение протонов при воздействии мощных коротких лазерных импульсов на фольгу? Прежде всего, лазерное излучение ионизирует мишень и ускоряет образовавшиеся электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с её противоположной стороны. Источником этих электронов служит плазменная корона (преплазма), возникающая у передней поверхности мишени из-за того, что по техническим причинам лазерному импульсу предшествует довольно длинный, наносекундного масштаба (1 нс = 10^–9 с), предымпульс малой интенсивности (пьедестал). Улететь далеко за мишень электронам преплазмы, ускоренным в направлении лазерного импульса, не удаётся, поскольку их тормозит электрическое поле ионов, оставшихся в фольге. В результате вблизи задней поверхности фольги образуется отрицательно заряженное облако электронов — виртуальный катод и электрическое поле, которое направлено перпендикулярно к поверхности мишени и разделяет заряды. Оно ионизирует атомы, находящиеся у задней поверхности мишени. Как правило (если не предпринимать специальных мер очистки поверхности), среди образовавшихся там ионов имеется много протонов. Они вылетают из атомов водорода, входящего в состав адсорбированной на поверхности фольги очень тонкой плёнки воды. И тогда под действием электрического поля разделения заряда протоны начинают ускоряться, достигая энергий в десятки МэВ.

Конечно, поле разделения заряда будет ускорять и более тяжёлые ионы мишени, летящие позади протонов. Однако набираемая на один нуклон энергия иона будет максимальна именно для протонов, поскольку для них отношение заряда к массе максимально. Чтобы повысить эффективность передачи энергии более тяжёлым ионам, нужно очистить заднюю поверхность фольги от водяной плёнки, нагревая мишень до высокой температуры или облучая её поверхность слабым лазерным импульсом до прихода основного импульса.

К настоящему времени рекордная энергия ускоренных протонов составляет около 70 МэВ. Целью ближайших лет ставится существенный рост этой величины на имеющемся сегодня уровне энергии лазеров. Успех в этом направлении связывают как с прогрессом в изготовлении микромишеней, так и с улучшением качества лазерного импульса. Проиллюстрируем это на одном примере из числа обсуждаемых перспективных схем лазерного ускорения протонов. Несколько лет назад было доказано, что наибольшая энергия ускоренных протонов достигается при использовании ультратонких фольг. Требуемая толщина фольги должна составлять величину, примерно равную глубине скинового слоя, области, в которую проникает лазерное поле, облучающее плотную плазму. Для плазмы с твердотельной плотностью эта величина составляет от нескольких до сотен нанометров (1 нм = 10^–7 см) в зависимости от интенсивности лазерного излучения. Современные технологии позволяют получать нанометровые фольги хорошего качества, пригодные для использования в виде мишеней. Взаимодействие мощного лазерного импульса с такой мишенью и ускорение частиц осуществляются во всём её объёме. Поскольку энергия электронов при этом становится релятивистской, можно говорить о появлении нового научного направления — релятивистской наноплазмоники. Мы уже говорили, что реальный лазерный импульс не идеален — у него имеется предымпульс, который легко разрушает тонкую мишень ещё до прихода основного импульса. С появлением техники плазменных зеркал удаётся очистить лазерный импульс от предымпульса, и с этим связаны надежды на более эффективное ускорение протонов в ближайшем будущем.

Как могла бы выглядеть схема ускорения «идеальным» лазерным импульсом протонов из ультратонкой фольги? Берётся фольга субмикронного размера, состоящая из смеси тяжёлых атомов и водорода. Под действием короткого лазерного импульса фольга ионизируется, а образовавшиеся электроны быстро её покидают. Оставшийся положительный заряд ионов претерпит так называемый кулоновский взрыв. При этом протоны, как наиболее лёгкие, будут вытолкнуты наружу и создадут слой, который станет ускоряться электрическим полем. Тяжёлые ионы полетят позади протонного слоя, действуя на него как «кулоновский поршень». Такая схема ускорения протонов подтверждает трёхмерное численное моделирование [4].

***

Заканчивая этот короткий рассказ, отмечу, что параллельно с разработкой методов лазерного ускорения частиц и способов улучшения качества генерируемых пучков ионов и электронов идёт широкое обсуждение и проведение опытов по их практическому использованию. Среди них:

быстрый поджиг термоядерной мишени (когда частицы высокой энергии направляются в сжатое термоядерное горючее и воспламеняют его, инициируя реакцию синтеза, подобно тому, как в двигателе внутреннего сгорания свеча поджигает топливо);

электронная и протонная радиография (позволяющая увидеть структуру и внутренние поля плотного вещества, подобно рентгеновскому снимку);

электронная и адронная терапия рака (доступная пока только с использованием ускорителей, что ограничивает применение этого метода лечения);

инициирование ядерных реакций, включающее получение короткоживущих изотопов и короткоимпульсного источника нейтронов (что делает лазеры полезным инструментом ядерной физики и технологии);

новые источники электромагнитного излучения (от терагерцевых волн до гамма-излучения) и многое другое.

Предстоит трудный путь для достижения всех этих практических результатов, но и выигрыш станет достижением мирового масштаба.

Литература

1. Yanovsky V., Chvykov V., Kalinchenko G., Rousseau P., Planchon T., Matsuoka T., Maksimchuk A., Nees J., Cheriaux G., Mourou G. and Krushelnick K. // Optics Express, 2008, v. 16, p. 2109.

2. Tajima T. and Dawson J. M. // Physical Review Letters, 1979, v. 43, p. 267.

3. Mordovanakis A. G., Easter J., Naumova N., Popov K., Masson-Laborde P-E., Hou B., Sokolov I., Mourou G., Glazyrin I. V., Rozmus W., Bychenkov V., Nees J. and Krushelnick K. // Physical Review Letters, 2009, v. 103, p. 235001.

4. Брантов А. В., Быченков В. Ю. // Физика плазмы, 2010, т. 36, с. 279.

№12, 2010