Ученые из Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) разработали метод ускорения ионов и электронов до высоких энергий с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, что позволяет в некоторых случаях обойтись без гигантских электромагнитных ускорителей, сообщает пресс-служба института.

Исследования, проводимые в ФИАН группой под руководством главного научного сотрудника Отдела лазерного термоядерного синтеза, доктора физико-математических наук Валерия Быченкова, связаны с созданием лазерных источников высокоэнергетических электронов и ионов. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что путём варьирования параметров лазерного импульса можно добиться максимальной энергии частиц и наилучшего контраста пучков этих частиц при заданной энергии лазера. Использование современных мощных ультракоротких лазерных импульсов позволяет получать направленные пучки ионов с энергией около 60 МэВ/нуклон и электронов с энергией, превышающей 1 ГэВ. В процессе работы удалось получить пучки ионов, обладающих малым разбросом по энергии. Получение таких пучков ионов важно с позиции практического применения, например, в ионной радиографии и протонной терапии онкологических заболеваний.

Рис. 1. Ускорение ионов в многокомпонентной плазме: сценарий взаимодействия лазерного импульса с ультратонкой фольгой и спектры ионов в многокомпонентной углеводородной плазме, а также плазме, содержащей ионы алюминия и протоны.

Эксперименты, проведенные в результате сотрудничества ФИАН, РФЯЦ – ВНИИТФ (г.Снежинск) и университета штата Мичиган (США), показали, что при облучении газовой струи мощным лазерным импульсом ускорение электронов до ультрарелятивистских энергий происходит за счет так называемого механизма ионизационного захвата.

Использование именно этого принципа позволило добиться рекордного уровня энергий – 1,5 ГэВ, при длине ускорения чуть больше сантиметра. Для сравнения: для того, чтобы получить такую энергию, обычный линейный ускоритель должен иметь длину более 100 метров.

Результаты проведённых исследований привели, в частности, к идее использования так называемых экзотических поляризаций.

Один из примеров – радиальная поляризация, при которой векторы напряженности электрического поля в поперечной плоскости лазерного пучка ориентированы наподобие спиц в колесе.

Одна из интересных идей, родившихся в процессе исследований, связана с использованием мощных фемтосекундных лазеров для моделирования некоторых астрофизических явлений в лабораторных условиях. С помощью этих устройств можно проверить существование предсказываемых механизмов развития космических гамма-всплесков – самых ярких электромагнитных явлений, происходящих во Вселенной.

Комментирует научный сотрудник ФИАН кандидат физико-математических наук Сергей Бочкарёв:

«Использование мощных лазерных систем уже сегодня даёт возможность создать плазму, параметры которой приближаются к параметрам реальных гамма-всплесков. Наличие таких систем позволит решать более сложные задачи, например, раскрыть механизмы рождения космических лучей во вселенной».

Современные мощные фемтосекундные лазерные установки, тем не менее, настолько компактны, что могут быть смонтированы на лабораторном, так называемом оптическом, столе. Подобные системы, получившие название «настольных лазеров» (tabletop lasers), обещают открыть для человечества сферы, считавшиеся ранее недоступными в масштабах лабораторных исследований.