Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики усовершенствовали метод лазерного ускорения электронов

Hibberd Morgan et al. / Nature Photonics, 2020

Физикам из Великобритании удалось добиться ускорения электронов с энергией 35 мегаэлектронвольт с помощью лазерных импульсов и волновода с диэлектрическим покрытием стенок. Ученые незначительно увеличили исходную энергию электронов, но за счет крайне короткого участка воздействия достигли темпа ускорения в два мегаэлектронвольта на метр. Метод, которым воспользовались исследователи, практически не воздействует на поперечную структуру пучка частиц, что очень ценится в ускорительной физике, а в будущем эта техника может быть использована в полноценных линейных ускорителях нового поколения. Статья опубликована в журнале Nature Photonics.

За более чем сто лет развития ускорителей ученые научились разгонять элементарные частицы до огромных энергий, но из-за фундаментальных ограничений на темпы ускорения каждое новое поколение этих сложнейших экспериментальных установок растет в цене и размерах. Для линейных ускорителей одним из главных таких ограничений является верхний предел на значения напряженности электрического поля: больше нескольких десятков мегавольт на метр достигнуть не получается из-за целого рядя технических проблем, в том числе пробоев.

Для преодоления такого ограничения необходимо развитие принципиально новых техник ускорения заряженных частиц, в рамках которых получается достигнуть более сильных полей, а значит и более быстрых темпов ускорения. Пожалуй, главными кандидатами на звание нового поколения ускорителей являются установки, в которых для ускорения частиц используются мощные лазерные импульсы. К примеру, в кильватерном ускорении мощные лазеры используются для создания колебаний в плазме, в которых уже ускоряются электроны. Именно этот метод сейчас является одним из рекордсменов по сочетанию темпов и величины ускорения: с его помощью физики научились стабильно ускорять электроны на 2 гигаэлектронвольта за 10 метров, а на меньших дистанциях темпы ускорения достигали и 100 гигаэлектронвольт на метр.

Однако Морган Хибберд (Morgan Hibberd) из Манчестерского университета и его коллеги использовали мощный лазер для прямого воздействия на летящие сквозь его луч электроны. В этом методе заряженные частицы напрямую взаимодействуют с волнами электромагнитного поля, которые порождает лазер, приобретая тем самым энергию. Для реализации такого способа ускорения на электромагнитное поле накладывается ряд условий: оно должно быть сильно сфокусировано, а его фазовая скорость должна совпадать со скоростью движения электронов, чтобы не происходило рассинхронизации. Для достижения этих условий авторы использовали мощный терагерцовый лазер, луч которого с помощью специальной пластинки переводят в пригодную для устойчивого ускорения моду TEM01 и фокусируют параболическим зеркалом, а также волновод с кварцевым диэлектрическим покрытием внутренних стенок. Изменения в энергии электронов физики наблюдали с помощью сцинтилляционного экрана, на который под разными углами летели отклоненные дипольным магнитом частицы различных скоростей.


Физики предварительно провели моделирование эксперимента, чтобы определить, что при резонансной частоте волновода в 0,4 терагерц ускорение исходных электронов с энергией 35 мегаэлектронвольт будет максимальным. Сами электроны на эксперимент подавались с линейного ускорителя CLARA, который позволял физикам варьировать продолжительность (длину) электронных сгустков в исходном пучке. Сначала ученые воздействовали лазером на сгусток продолжительностью в 6 пикосекунд и пронаблюдали модуляцию спектра исходного пучка с периодом лазера в 2,5 пикосекунды. В результате часть электронов оказалась смещена в спектре в сторону больших энергий, то есть фактически ускорена, на 8,8 килоэлектронвольт.


Затем авторы повторили опыт, но теперь пучок электронов состоял из сгустков с продолжительностью в две пикосекунды. Такая близость длины пучка и периода излучения лазера позволила исследователям проследить за тем, как на ускорение влияет фаза терагерцового излучения, в которую ученые «вставляли» сгусток электронов. С помощью такого подбора фазы и вариации исходного разброса пучка по энергиям физики добились максимального значения эффективного ускорения электронов в 10 килоэлектронвольт.


Ученые отмечают, что в своей работе они реализовали ускорение сгустков электронов с зарядом вплоть до 60 пикокулон — это почти на три порядка больше, чем в предыдущих подобных экспериментах. Авторы произвели существенный скачок и в исходной энергии электронов: ранее с помощью терагерцовых лазеров ускоряли пучки с энергией не более нескольких сотен килоэлектронвольт. Особо важно и то, что использованный физиками метод практически не влияет на поперечную структуру пучка, а обычно на ее удержание физики тратят очень много сил. Все это дает надежду на использование принципов прямого лазерного ускорения электронов в будущих полноценных линейных ускорителях.

Про то, как будущее ускорительной техники видят в ЦЕРНе, мы уже рассказывали в материале «100 ТэВ на перспективу». Также физики уже создали проект европейского кильватерного ускорителя, принципы работы которого были упомянуты выше.

Никита Козырев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.