В опубликованной работе учёные кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ представили новый метод управления энергией электронных пучков в лазерно-плазменных ускорителях. Physical Review LettersНовая технология позволяет с высокой точностью динамически перестраивать энергию электронов. Это открытие будет полезно в медицине и промышленности.
Грант РНФ № 22-79-10087 позволил провести исследование на оборудовании, купленном в рамках национального проекта «Наука и университеты».
Электронные пучки высокой энергии применяют в медицине (например, для лучевой терапии), науке (в синхротронах и рентгеновских лазерах на свободных электронах) и промышленности. Традиционные ускорители, работающие на базе радиочастотных резонаторов, занимают значительные площади (такой как трехкилометровый линейный ускоритель в Стэнфорде).
Новые лазерно-плазменные ускорители электронов позволяют достичь мегаэлектронвольтных энергий электронов в плазме длиной около сотни микрометров, а энергий в единицы гигаэлектронвольт — в плазменном канале длиной в несколько сантиметров. Такая компактность связана с тем, что плазма как ионизированная среда может выдерживать огромные электрические поля — в тысячи раз больше, чем традиционные ускорители. Такие поля создаются сверхкоротким лазерным импульсом: мощный фемтосекундный лазерный импульс, распространяясь сквозь плазму, «расталкивает» электроны, создавая волну электронной плотности. В этой волне возникают сильные электрические поля (до 100 ГВ/м), которые и разгоняют электроны до релятивистских скоростей.
Подобно серфингу на волнах, лазер возбуждает волну плазмы, которую электроны используют для ускорения себя до скоростей, близких к скорости света. Екатерина Стародубцева.
В ходе численного эксперимента ученые продемонстрировали новый способ управления длительностью ускорения электронов в плазме, позволяющий прерывать его весьма резко. Для этого используется дополнительный лазерный импульс, создающий ударную волну перпендикулярно направлению ускорения в газовой струе. За фронтом ударной волны плотность плазмы существенно снижается, и процесс ускорения прекращается. Благодаря этому удается сформировать электронный импульс с малой угловой расходимостью и узким энергетическим спектром, а также исключить ухудшение качества пучка из-за эффекта дефазировки.
Новый метод дает возможность не только ускорять электроны, но и точно изменять их энергию непосредственно во время эксперимента. Это открывает дорогу для создания совершенно новых регулируемых источников частиц. Иван Цымбалов.
Эксперименты провели на компактном тераваттном фемтосекундном лазерном комплексе, работающем в Корпусе нелинейной оптики МГУ. Авторы работы впервые продемонстрировали экспериментальную реализацию перестраиваемого по энергии электронного пучка от 6 до 12 МэВ с узким спектром и малой угловой расходимостью. Численное моделирование методом крупных частиц позволило выявить и объяснить ключевые эффекты, определяющие энергетический и угловой спектры электронов. Работа выполнена в тесной кооперации с учеными НИЯУ МИФИ и ИПМ РАН.
Новая технология открывает новые возможности для медицины (адаптивная лучевая терапия с точной настройкой глубины опухоли), рентгеновских источников (генерация монохроматического излучения с регулируемой энергией) и фемтосекундной дифракции (исследование сверхбыстрых процессов в материалах с переменной энергией зондирования).
Разработанный нами метод управления электронным пучком применим не только для практических задач, решаемых с помощью настольных лазерных систем, но и для фундаментальных исследований на петаваттных установках (например, установка PEARL ИПФ РАН) и мегасайенс-установках (например, XCELS — Exawatt Center for Extreme Light Studies, планируемый к созданию в Национальном Центре Физики и Математики в г. Сарове). Андрей Савельев-Трофимов.
Дальнейшие исследования нацелены на масштабирование технологии для перестройки энергии пучка электронов в диапазоне единиц-десяток МэВ. Планируется также улучшить качество пучка, добившись хорошей коллимации и достаточно большого заряда, что является важным шагом к интеграции системы в промышленное и медицинское оборудование.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ
Источник фото: ru.123rf.com