Физики из Китая и США впервые реализовали в эксперименте метод получения высокоэнергетических электронных пучков из плазмы, основанный на использовании двух когерентных лазерных импульсов, направленных под углом друг к другу. За счет интерференции электромагнитных волн и пондеромоторного дрейфа электроны сначала захватываются из плазмы, а затем ускоряются, образуя пучок с энергией до 300 мегаэлектронвольт. Такой подход авторы назвали «оптической ракетой» и предлагают использовать его для усовершенствования современных установок для ускорения электронов, а также для изучения взаимодействия электромагнитных волн в плазме, сообщают ученые в Physical Review Letters.

Поскольку все частицы в плазме находятся в ионизированном состоянии, то ее свойства определяются в первую очередь коллективными электромагнитными взаимодействиями. Например, электродинамические свойства плазмы определяются наличием электромагнитных волн, которые могут по ней распространяться. Один из способов получения этих волн в лабораторных условиях — облучение плазмы высокоэнергетическими лазерными импульсами или ускоренными заряженными частицами. Именно такой подход физики предлагают использовать, в частности, для кильватерного ускорения электронов: при одновременном возбуждении электромагнитной волны в плазме и облучении ее электронным пучком, электроны из пучка захватываются волной и ускоряются до энергии порядка гигаэлектронвольта.

Группа физиков из США и Китая под руководством Дональда Умстадтера (Donald Umstadter) из Университета Небраски-Линкольна показала, что те же явления, которые применяют для ускорения электронов, можно использовать и для захвата электрона непосредственно из плазмы и генерации высокоэнергетических электронных пучков. Для этого ученые использовали эффекты, теоретически описанные более двадцати лет назад, — пондеромоторный дрейф (движение заряженных частиц в неоднородном осциллирующем электромагнитном поле) и интерференцию нескольких электромагнитных волн в плазме. Основная идея предложенного эксперимента состояла в том, что плазма облучалась не одним, а одновременно двумя очень мощными когерентными лазерными импульсами, которые фокусировались в заданной точке и были направлены под углом друг к другу. При этом в зависимости от разницы фаз и плотности плазмы электроны с большей или меньшей вероятностью притягивались и ускорялись электромагнитной волной.

Схема экспериментов с различным временем задержки между лазерными пучками. Grigory Golovin et al./ Physical Review Letters, 2018

В эксперименте физики использовали фемтосекундные лазерные импульсы интенсивностью более 10²⁰ ватт на квадратный сантиметр, с длиной волны 800 нанометров и длительностью около 30–40 фемтосекунд. Угол между двумя пучками с горизонтальной поляризацией составлял 155 градусов, в результате чего после интерференции возникал очень сильный градиент интенсивности волны, что и приводило к захвату электронов. Ученые варьировали временную задержку между двумя импульсами и обнаружили, что в зависимости от того, какой из импульсов идет раньше (сонаправленный с образующимся электронным пучком — в который «засасываются» те электроны из плазмы, которые потом исследуются на выходе, или второй — инжекторный — импульс), зависит количество захваченных из плазмы электронов и их энергия после ускорения.

Экспериментальная установка. University of Nebraska-Lincoln

Оказалось, что при взаимодействии с обеими электромагнитными волнами, электроны захватываются волной в три этапа под действием градиента интенсивности и пондеромоторных сил со стороны каждой из волн. При этом если первой идет волна, сонаправленная с образующимся электронным пучком, то при захвате электронов доминирует эффект интерференции волн, а в том случае, когда раньше оказывается инжекторная волна — сказываются оба эффекта: и интерференция, и пондеромоторный дрейф. На выходе образуются электронные пучки с энергией более 300 мегаэлектронвольт и зарядом до нескольких пикокулонов — обе величины почти на два порядка больше, чем при использовании единственной волны.

Результаты эксперимента физики подтвердили и более детально исследовали и с помощью численного моделирования. По словам ученых, экспериментальная реализация подобного механизма захвата электронов с помощью двух высокоэнергетических лазерных импульсов в будущем может быть использована для усовершенствования современных компактных установок для ускорения электронов, а также для изучения динамики волн в плазме. Кроме того, авторы работы называют описанный ими эффект «оптической ракетой» — используя только световые импульсы им удалось получить пучок массивных частиц со скоростью, близкой к скорости света.

Кильватерное ускорение электронов с помощью плазмы интересно в первую очередь тем, что с помощью такого подхода можно разгонять электроны в очень компактных установках. Например, именно с помощью кильватерного ускорения физикам ЦЕРНа недавно удалось разогнать электроны до энергии в 2 гигаэлектронвольта в установке длиной всего 10 метров, что примерно в два раза превосходит аналогичный показатель для ускорителей на радиочастотных сверхпроводящих резонаторах.

Автор: Александр Дубов