Читать «Журнал «Компьютерра» № 9 от 06 марта 2007 года» онлайн - страница 17

Верхом на плазме

Американские физики вновь продемонстрировали перспективность плазменного ускорения заряженных частиц. Таким способом им удалось почти вдвое увеличить энергию электронов, разогнанных на крупнейшем в мире Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC).

Как известно, мощные ускорители электронов отличаются более чем солидными размерами. SLAC, который доводит энергию электронов до 50 ГэВ, имеет длину 3200 м. И это отнюдь не случайно. Размеры радиочастотных вакуумных ускорителей зависят от предела напряженности ускоряющего электрического поля, который не превышает ста миллионов вольт на метр из-за возможности пробоя (рабочий показатель SLAC куда меньше, двадцать миллионов вольт на метр). По этой причине вот уже пару десятков лет ученые обсуждают возможность ускорения электронов не в пустом пространстве, а в плазме. В этом случае электроны наращивают скорость, двигаясь «на гребне» быстро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн (wakefield). Плазменный разгон в кильватерных волнах в принципе позволяет на три-четыре порядка повысить напряженность электрического поля и при этом не создает опасности пробоя. Поля такой силы можно использовать для разгона электронов или иных заряженных частиц до релятивистских и ультрарелятивистских энергий (частица считается релятивистской, если отношение ее скорости к скорости света сравнимо с единицей и ультрарелятивистской — если оно очень близко к единице) на дистанциях порядка нескольких метров или даже сантиметров.

Кильватерные волны чаще всего возбуждают с помощью мощных импульсов лазерного излучения. Каждый такой импульс выталкивает электроны со своего пути и потому тянет за собой волну зарядовой плотности. В сильно разреженной плазме скорость импульса почти не отличается от скорости света. Поскольку кильватерная волна распространяется вслед за импульсом без отставания, ее фазовая скорость совпадает с групповой скоростью самого импульса, то есть опять-таки приближается к световой.

Возможности лазерного ускорения электронов в кильватерных плазменных волнах изучают во многих лабораториях мира. В этих экспериментах сгустки электронов инжектируются в плазму, которая одновременно «обрабатывается» лазерными импульсами (сами сгустки могут предварительно разгоняться в радиочастотном ускорителе). В прошлом году сотрудники Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли в сотрудничестве с английскими физиками использовали для генерации кильватерных волн 40-тераваттный лазер и с его помощью разогнали электроны до энергии чуть больше 1 ГэВ. К тому же им удалось получить почти монохроматические электронные сгустки, внутри которых разброс частиц по энергиям не превышал двух с половиной процентов.

Другой метод плазменного ускорения позволяет обойтись без лазеров. В этом случае входящий в камеру с разреженным газом или паром пучок быстрых заряженных частиц сам ионизирует эту среду и создает в ней кильватерные волны, которые и тянут за собой часть пучка. В 2005 году Марк Хоган (Mark Hogan) и его коллеги таким способом добились прироста энергии электронов на 2,7 ГэВ на пути в 10 см. Правда, у этого метода есть серьезный недостаток по сравнению с лазерным плазменным ускорением — большая часть пучка резко теряет энергию, ускорить удается лишь сравнительно небольшую долю частиц.