.
О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Беларусь
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.77573.html

статья Физики создают свою мечту - карманные плазменные суперускорители

Алексей Левин (Вашингтон), 01.10.2004
Реклама

Общая схема эксперимента ученых из Беркли с сайта www.lbl.gov Три коллектива европейских и американских специалистов по физике плазмы одновременно опубликовали результаты экспериментов, которые позволяют надеяться на скорое появление мощных и чрезвычайно компактных ускорителей электронов. Журнал Nature, где появились эти работы, анонсировал их на обложке очередного выпуска, который вышел в свет 30 сентября.

Создание электронных ускорителей небольших размеров - это давняя мечта ученых. Компактные и поэтому недорогие машины, способные генерировать стабильные электронные пучки высокой плотности с энергией в несколько десятков или даже несколько сотен мегаэлектронвольт (МэВ), чрезвычайно пригодились бы и химикам, и материаловедам, и биологам, и врачам. Ускорители с такими возможностями, разумеется, существуют, однако их размеры сравнимы с габаритами самолетных ангаров. Установки, мощность которых измерялась бы уже гигаэлектронвольтами (ГэВ), можно было бы без больших затрат использовать и в исследованиях элементарных частиц. Пока что для получения таких энергий приходится возводить поистине гигантские сооружения, строительство и обслуживание которых требует огромных средств. Достаточно сказать, что длина крупнейшего в мире Стэнфордского линейного ускорителя, который разгоняет электроны и позитроны до энергии в 50 ГэВ, превышает 3 километра. Протяженность кольцевого туннеля Большого адронного коллайдера, который сейчас строится в ЦЕРНе, составляет 27 километров.

Фотография плазменного шнура с сайта www.lbl.gov Принципиальная возможность создания мощных миниускорителей появилась уже давно. В "обычных" линейных ускорителях с вакуумными туннелями сгустки электронов набирают скорость благодаря резонансному взаимодействию с подталкивающими радиоволнами. Интенсивность набора энергии в таких машинах не превышает нескольких десятых МэВ на один метр пройденной дистанции. В 1979 г. сотрудники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Тоши Тоджима и Дж. М. Доусон теоретически доказали, что при облучении плазмы лазерными импульсами можно добиться куда лучших результатов. При подходящих условиях такие импульсы (их называют драйверами) могут создавать плазменные шнуры, тянущие за собой электрические поля чрезвычайно высокой напряженности. Такое поле следует в кильватере драйверного импульса и быстро разгоняет электроны почти до скорости света. Этот механизм получил название лазерного ускорения в поле кильватерной волны (laser wakefield acceleration), его теория долгое время дорабатывалась физиками из самых разных стран, в том числе и из России. Расчеты показывают, что в идеале можно добиться устойчивого прироста энергии электронов в 1 ГэВ на сантиметр пути. Это означает, что плазменный аналог Стэнфордского ускорителя мог бы вполне свободно разместиться на лабораторном столе. Правда, на пути реализации такого проекта встают поистине гигантские технические трудности, но вот создание настольных ускорителей на сотни МэВ выглядит куда более реальным.

Сама возможность почти мгновенного ускорения электронов в плазменных установках сейчас доказана и экспериментально. Так, в позапрошлом году сотрудник парижской Политехнической школы Виктор Малка и его коллеги осуществили кильватерный разгон электронов до энергии 200 МэВ на дистанциях порядка миллиметра. Однако до сих пор таким путем удавалось получать лишь плохо сфокусированные электронные сгустки, в которых скорости, а значит, и энергии отдельных частиц сильно отличались друг от друга. Хороший ускоритель, напротив, должен стабильно генерировать пучки, объединяющие частицы с практически одинаковой энергией. Новые эксперименты парижских исследователей, а также американских физиков из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и ученых из Великобритании как раз и позволили свести ширину разброса по энергиям при кильватерном лазерном ускорении электронов всего до нескольких процентов. Строго говоря, даже и такие пучки еще нельзя назвать моноэнергетическими, однако свет в конце туннеля уже виден.

Ученые из Беркли во главе с Вимом Лимансом. Коллективное фото с сайта www.lbl.gov Методы кильватерного ускорения электронов, разработанные каждой из трех групп, отличаются в деталях, но в целом они достаточно похожи. Например, ученые из Беркли во главе с Вимом Лимансом (см. их коллективное фото) применили три лазерных пучка. Первый пучок ионизировал запертый в небольшой камере водород, создавая на своем пути первичный плазменный шнур. Затем этот шнур был дополнительно разогрет вторым лазерным лучом, направленным под углом к первому. В результате такого нагрева плотность плазмы в центре шнура снизилась, а на периферии - возросла. В итоге возник своего рода оптический канал, концентрирующий движение лазерного луча вдоль осевой линии и предотвращающий его рассеивание на стенках. Через половину миллиардной доли секунды в этот канал был послан драйверный импульс с пиковой мощностью 10 триллионов ватт, который и ускорил электроны до энергии свыше 80 ГэВ. Измерения показали, что число таких электронов в каждом сгустке составило несколько миллиардов.

Исследователи из лондонского Импириэл-колледжа работали не с водородом, а с гелием и получили почти моноэнергетические сгустки на 100 МэВ. Парижские физики разогнали электроны до энергии 170 МэВ на дистанции 3 миллиметра. Все три группы рассчитывают в скором времени получить столь же качественные электронные пучки с энергией порядка 1 ГэВ.

Источники:
High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding - Nature 431, 538 - 541 (30 September 2004)
Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions - Nature 431, 535 - 538 (30 September 2004)
A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams - Nature 431, 541 - 544 (30 September 2004)

Алексей Левин (Вашингтон), 01.10.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама
Выбор читателей