Ускорители электронов используются во многих отраслях науки и техники: от биологии и медицины до промышленности. В последние годы большое внимание уделяется разработке "настольных" ускорителей, создание которых требует гораздо меньших финансовых затрат. Одно из последних достижений - получение моноэнергетических пучков электронов с достаточно высокой энергией.

В настоящее время получение пучка электронов высокой энергии связано с большими финансовыми затратами на строительство бетатрона или линейного ускорителя и сопутствующей инфраструктуры. Темп ускорения на текущий момент составляет около 0.2-0.4 МэВ/м. Как альтернатива громоздким ускорителям был предложен ускоритель, использующий взаимодействие мощных ультракоротких лазерных импульсов с разреженной плазмой (далее лазерно-плазменный ускоритель) [4]. Темп ускорения в нем может составлять порядка 100 ГэВ/м или, лучше сказать, 100 МэВ/мм. В номере Nature за 30 сентября опубликованы три любопытные статьи, в которых сообщены результаты экспериментов по получению пучка электронов высокой энергии при использовании лазерно-плазменного ускорителя. Идея лазерно-плазменного ускорителя не нова (1979) [4], эксперименты успешно проводят уже с 1996 года [5], однако никому еще не удавалось получить моноэнергетический пучок электронов.

Физика ускорения электронов в лазерно-плазменном ускорителе следующая. При определенных условиях лазерный импульс может эффективно возбуждать плазменные волны - они обычно называются кильватерными (wake waves): пондеромоторная сила толкает электроны вперед, образуется локальное смещение электронов и ионов и потенциальная сила, которая стремится вернуть электрон назад - возникают осцилляции на плазменной частоте. Если пучок электронов правильно инжектировать в кильватерную волну, то его можно эффективно ускорить.

Английские ученые [1] фокусировали импульс Ti:Sa лазера (800 нм, 40 фс) на сверхзвуковую гелиевую мишень (длиной около 2 мм). Интенсивность импульса была равна 2.5x10¹⁸ Вт/см². Плотность плазмы менялась от 3x10¹⁷ см^-3 до 5x10¹⁹ см^-3. При аккуратном подборе плотности плазмы и высокой интенсивности наблюдался моноэнергетический спектр электронов - пик приходился на 70 МэВ, разброс по энергиям был равен 3%. В сгустке (bunch) содержалось порядка 10⁸ электронов или примерно 20 пКл.

Американские ученые [2] увеличили длину распространения лазера в плазме, используя предварительно созданный другим импульсом (драйвером) канал и уменьшая тем самым ограничения, накладываемые дифракцией. Использовался Ti:Sa лазер (810 нм, 60 фс) и газовая мишень. Интенсивность импульса была равна 1.1x10¹⁹ Вт/см². Эта группа ученых получила следующие результаты: сгусток длительностью 10 фс содержал 3x10⁹ электронов с энергией 80 МэВ. Разброс по энергии был около 2%. Наилучшее соотношение числа электронов и их энергии было при плотности газа равной 4x10¹⁹ см^-3.

Группа ученых из Франции и Германии (Пухов, Киселев, Гордиенко см. также недавнюю заметку "Короче, еще короче...") [3] провела аналогичные эксперименты. Импульс Ti:Sa лазера (820 нм, 33 фс) с интенсивностью 3.2x10¹⁸ Вт/см² фокусировался на гелиевую мишень с плотностью около 6x10¹⁸ см^-3. Были получены сгустки электронов длительностью менее 30 фс, содержащие порядка 10⁹ электронов c энергией 170 МэВ. Разброс был равен 24% (ученые относят это к разрешению спектрометра).

Подведем некоторые итоги. Три группы ученых получили моноэнергетические пучки электронов с энергиями 70 МэВ, 80 МэВ и 170 МэВ. Конечно, ток в таких пучках очень маленький (порядка 10кА) и они еще далеки от практического применения. Но, в ближайшем будущем можно будет использовать "настольные" ускорители заряженных частиц в радиографии, биологии, медицине. Существует надежда в будущем получить пучки электронов с энергиями больше 1 ГэВ. Планы грандиозные. Удастся ли их осуществить? Посмотрим...

Литература:
1. Mangles et al Nature vol.43 30 September 2004 pp.535-538
2. Geddes, Esarey et al Nature vol.43 30 September 2004 pp.538-541
3. Pukhov, Malka et al Nature vol.43 30 September 2004 pp.541-544
4. Tajima, Dawson "Laser electron accelerator" Phys.Rev.Lett. vol. 43, pp. 267-270 (1979)
5. Umstadter et al Science vol. 273, pp.472-475 (1996)
Также есть статьи по теме в свободном доступе:
6. Gordienko, Pukhov "Scalings for ultra-relativistic laser plasmas and monoenergetic electrons"
7.Pukhov, Gordienko, Kiselev, Kostyukov "The Bubble regime of laser-plasma acceleration: monoenergetic electrons and the scalability"
8. Kiselev, Pukhov, Kostyukov "Table-top synchrotron"

С.Рыкованов