Создание мощных пико- и фемтосекундных лазеров положило начало новой области исследований, связанной с изучением взаимодействия очень интенсивных лазерных импульсов с веществом. В результате воздействия сверхмощных лазерных импульсов на твердотельные мишени оказывается возможным получать достаточно узконаправленные пучки релятивистских частиц (с энергиями, достигающими нескольких десятков МэВ) в "настольном" эксперименте - без использования громоздких ускорителей.

В настоящее время в мире имеется множество тераваттных лазеров и уже созданы первые петаваттные лазеры (приставка пета- означает 10¹⁵). При фокусировке луча лазера в пятно микронных размеров плотность мощности падающего на мишень излучения может превышать 10²⁰ Вт/см², что приводит к мгновенному испарению части мишени. Под действием лазерного импульса образуется релятивистская электронная плазма, температура которой составляет сотни тысяч и миллионы эВ. Помимо высокоэнергетичных электронов, вследствие их взаимодействия с мишенью в экспериментах генерируются гамма-кванты и потоки протонов или легких ионов.

При прохождении электронов с достаточно высокой энергией (порядка 10 МэВ и выше) через неповрежденную часть мишени (состоящей из вещества с большим атомным номером Z) генерируется тормозное излучение - электроны теряют энергию, испуская высокоэнергетичные фотоны, спектр которых ограничен сверху начальной энергией электрона. Полученные таким способом гамма-кванты в состоянии вызывать фотоядерные реакции, в частности, деление ²³⁸U (см., например, [1]). При использовании более мощных лазеров, когда плотность мощности в пятне превысит 10²¹ Вт/см², станет возможной генерация гамма-квантов с энергией, превышающей пороговую энергию фоторождения пи-мезона на нуклоне, поэтому нельзя исключить вероятности того, что со временем будут созданы "настольные мезонные фабрики".

Рис.1. Энергетический спектр протонов, полученных при действии мощного лазерного импульса (плотность мощности - 3 x 1020 Вт/см2) на полимерную мишень.

Кулоновское взаимодействие электрона с ядром с малым Z слабее, чем при большом Z, и в мишенях с малым Z (обычно - полимерные пленки) при той же начальной энергии электроны теряют ее преимущественно не на тормозное излучение, а на ионизацию атомов. Сильное электрическое поле (пропорциональное электронной температуре), возникающее между областями с преобладанием электронов и ионов, "выбрасывает" ионы из твердого тела; таким образом удается получать пучки высокоэнергичных протонов и легких ионов. В экспериментах с петаваттными лазерами были получены пучки протонов с энергией до 58 МэВ (см. рисунок из работы [2]).

Физика плазмы, ядерная физика, астрофизика, материаловедение, медицина - вот неполный перечень областей, "заинтересованных" в исследовании взаимодействия сверхмощных лазерных импульсов с веществом и создании "настольных" приборов. В настоящее время уже встает задача оптимизации параметров будущих устройств, в частности, оптимизации конструкции твердотельной мишени. Этому вопросу посвящена недавняя работа польских и российских ученых [3], изучавших характеристики потоков протонов, получаемых при использовании мишеней разных типов. Ученые показали, что удается генерировать протоны с максимальной энергией при использовании двухслойной мишени, когда за тонким слоем вещества с достаточно большим атомным номером Z (Al, Cu, Au), подвергающегося непосредственному воздействию лазерного импульса, следует достаточно толстый слой вещества с малым Z (полистрол - (C₈H₈)_n), где и генерируется пучок высокоэнергетичных протонов. Использование тонкого металлического слоя обеспечивает более высокую начальную температуру электронной плазмы, которая затем "инжектируется" в слой с высоким содержанием водорода. Исследователи определили также оптимальные толщины слоев, позволяющие максимизировать энергию протонов.

1. T.E.Cowan, A.W.Hunt, T.W.Phillips et al., Phys.Rev.Lett. v.84, 903 (2000).

2. R.A.Snavely, M.H.Key, S.P.Hatchett et al., Phys.Rev.Lett. v.85, 2945 (2000).

3. J.Badzyak, E.Woryna, P.Parys et al., Phys.Rev.Lett. v.87, 215001 (2001).

Е.Онищенко.