О лаборатории  
Цели и задачи  
Официальные документы  
Коллектив  
Контакты  
Ведущий ученый  
Общие сведения  
Научные интересы  
Публикации  
Наши достижения  
Научные результаты  
Основные публикации  
Участие в конференциях  
Диссертации  
Мероприятия  
Семинары  
Лекции  
Пресс-конференции  
Интернет-ресурсы  
0 нас  
Партнерство  
   
 
 
   
Научные результаты

Новые методы ускорения заряженных частиц, основанные на использование мощного лазерного излучения и плазмы

Для исследования фундаментальных свойств материи необходимы эксперименты с частицами с энергией, которая уже недоступна в современных ускорителях частиц. Стандартные современные методы ускорения заряженных частиц подошли к технологическому пределу, при котором дальнейшее увеличение ускоряющего поля приводит к разрушению ускоряющей структуры. Поэтому достижение новых рубежей энергии ускоряемых частиц в рамках стандартных технологий возможно лишь при увеличении длины ускорения, что приводит к гигантским размерам ускорителей и их огромной стоимости. Например, Большой андронный коллайдер, с помощью которого, в частности, предполагается обнаружить бозон Хиггса, представляет собой многокилометровое сооружение стоимостью несколько миллиардов евро.

Длина туннеля для БАК (http://home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider) составляет около 27 км.

Наиболее обсуждаемые в последнее время альтернативные схемы ускорения с высоким темпом ускорения заряженных частиц основаны на использовании плазмы и мощного лазерного излучения. Напряженность лазерного поля на много порядков больше напряженности ускоряющих полей в современных ускорителях. Непосредственному использованию лазерного поля для ускорения частиц мешает поперечная структура лазерной волны. Использование плазмы, как среды трансформирующей лазерное излучение, позволяет формировать ускоряющие поля с высокой напряженностью. В настоящее время в лабораторных условиях удалось ускорить электроны в плазменных полях, возбуждаемых мощным лазерным импульсом, до энергии в несколько ГэВ на длине в нескольких сантиметров. Такой темп ускорения на несколько порядков выше темпа в современных ускорителях .

Линейный ускоритель в Стэнфорде.
Энергия ускоренных электронов составляет примерно

50 ГэВ при длине ускорителя 3 км (https://www6.slac.stanford.edu/).

Лазерная система на базе технологии ICAN
(G. Mourou et al.,  Nature Photonics 2013,
http://www.nature.com/nphoton/journal/v7/n4/full/nphoton.2013.75.html).

Нами предложены 2 новые схемы ускорения электронов в плазменных структурах, облучаемых последовательностью сфазированных лазерных импульсов. Такие последовательности могут быть сгенерированы новыми поколениями волоконных лазеров, использующих технологию ICAN. В первой схеме используется периодическая последовательность плазменных резонаторов Фабри-Перо, куда закачивается лазерная энергия. В резонаторах, с протяженностью равной половине лазерной длины волны, поле находится в ускоряющей для электронов фазе.  Область поля с тормозящей фазой, протяженностью также равной половине лазерной длины волны, попадает в область с закритической плазмы и не влияет на динамику электронов.  Моделирование показывает, что в такой структуре электроны ускоряются ускорение электронов до 50 Гэв на длине около 2 метров.

 

Последовательнось сфазированных лазерных импульсов

Ускоряющая плазменная структура на основе плазменных резонаторов Фабри-Перо, накачиваемые последовательностью сфазированных лазерных импульсов.

Вторая схема основана на использование открытых плазменных структур. Принцип ускорения аналогичен первой схеме, однако в данном случае нет эффекта усиления Фабри-Перо для ускоряющего лазерного поля. Тем не менее, в этом случае можно использовать более мощные лазерные поля. Предполагается, что структура после ускорения одного сгустка   разрушается и заменяется новой. Моделирование показало, что во второй схеме электроны  ускоряются до 200 ГэВ на 10 см. Такой темп ускорения на 2 порядка выше темпа, наблюдаемого в экспериментах по лазерно-плазменному ускорению и на 5 порядков выше темпа в современных стандартных ускорителях. 

Ускоряющая плазменная структура на основе открытых структур, накачиваемых последовательностью сфазированных лазерных импульсов.

Результаты моделирования, демонстрирующие ускорение электронного сгустка в открытых плазменных структурах, накачиваемых последовательностью сфазированных лазерных импульсов, до энергии примерно 200 ГэВ на длине 10 см, что соответствует темпу ускорения ~ 4 ТэВ/м.

Результаты численного моделирования лазерно-плазменного ускорения электронов на установке PEARL, созданной в ИПФ РАН (Нижний Новгород). Показаны три проекции распределения электронной концентрации в плазме при распространении в ней лазерного импульса, три проекции лазерной интенсивности, энергетический спектр ускоренных электронов, а также распределение электронов в плоскости продольный импульс - поперечный импульс.