Генерация плазменных полей и ускорение электронов в кильватерной волне

Лаборатория проводит теоретические исследования в области коллективных методов ускорени заряженных частиц, а именно по лазерно-плазменным методам ускорения заряженных частиц. Ответственные исполнители - собственно проблема генерации ускоряющих плазменных полей посредством мощного достаточно короткого лазерного импульса относится более к области интересов рук. лаб. Андреева Н.Е. Ускорением электронных пучков и сгустков в кильватерных полях в основном занимается ст.н.с., к.ф.-м.н. С.В. Кузнецов

Лазерно-плазменные методы ускорения в настоящее время относятся к одному из наиболее активно развивающихся разделов физики плазмы и теории ускорителей заряженных частиц. Вызвано это тем, что традиционные методы ускорительной техники, которые возникли еще в 30-е годы и достигли с тех пор немалых успехов, к настоящему времени практически себя исчерпали. Физические принципы, заложенные в их основу, позволяют продвигаться к всё большим значениям энергии ускоренных частиц, которые требуются для исследований по фундаментальной физике, в основном за счет гигантских размеров ускорительных установок (~10 км) с огромными энергозатратами при их работе, что выливается в итоге в их колоссальную стоимость при сооружении (более 1 млрд $) и эксплуатации. По этой причине известный всем Большой Адронный Коллайдер ЦЕРНа, опробованный недавно в первых запусках, и проектируемый на будущее Сверхпроводящий Линейный Коллайдер по всей видимости окажутся последними машинами, работающими на прежних принципах. Новые методы ускорения посредством коллективного взаимодействия заряженных частиц, реализуемого в плазменной среде, свободны от многих непреодолимых технических ограничений, которые присущи традиционным методам ускорения. Связано это прежде всего с тем, что плазме теоретически возможно создание таких ускоряющих полей, которые на много порядков превышают ускоряющие поля в традиционных ускорителях. Это подтверждается на экспериментальных установках, где уже продемонстрировано превышение темпов ускорения заряженных частиц в 1000 и более раз по сравнению с традиционными методами, а это означает в перспективе многократное (на порядки) сокращение размеров и стоимости ускорителей. И хотя пока еще даже в лабораториях с помощью плазменных методов ускорения не удалось получить ускоренные электроны, по энергии близкие к результатам лучших традиционных ускорителей, и существует немало задач, которые прежде надо решить на этом пути, но непрерывно прогрессирующая динамика развития плазменных методов ускорения в поиске нужных решений вселяет уверенность в их плодотворности.

Конкретные задачи, решаемые в лаборатории в настоящее время по этому направлению:

Генерация регулярного кильватерного поля лазерным импульсом в различных режимах и в разных условиях, обеспечивающих большие ускоряющие силы на больших длинах ускорения электронов – резонансный режим, в режиме самомодуляции, с затравочным сгустком, в капилляре, в фокусе лазерного излучения, в плазменном канале, а также при различных способах ввода лазерного излучения в волноводную структуру.

Ускорение электронного сгустка – различные схемы инжекции сгустка в ускоряющую кильватерную волну, генерируемую лазерным импульсом (перед лазерным импульсом, в максимум ускоряющего поля, в максимум кильватерного потенциала), влияние параметров инжектируемого сгустка на качество сгустка после ускорения (моноэнергетичность, компактность, эмиттанс).

Общая задача – качественное ускорение электронного сгустка конечного заряда до больших энергий, самосогласованное с генерацией лазерным импульсом кильватерной ускоряющей волны.

Литература для желающих конкретнее ознакомиться с этим направлением физики (обзоры по теме):

1. Научно-популярная статья Чандрашекара Джоши в журнале "В Мире Науки", май 2006г
2. Chandrashekhar Joshi and Thomas Katsouleas “Plasma Accelerators at the Energy Frontier and on Tabletops”, Physics Today -- June 2003. скачать
3. T. Katsouleas “Plasma accelerators race to 10 GeV and beyond”, Physics of Plasmas, V.13, P.055503, 2006. скачать
4. Файнберг Я. Б. Ускорение заряженных частиц в плазме, Физика плазмы, том 23. № 4, с. 275-283, 1997.

Некоторые научные публикации лаборатории по этому направлению:

1. Кузнецов С.В., Андреев Н.Е. Динамика ускорения сгустка электронов в кильватерной волне // Физика плазмы. 2001. T..27. С 5. Стр. 397-405. скачать
2. E. Andreev, S.V. Kuznetsov. Guided propagation of short intense laser pulses and electron acceleration.// Plasma Phys. Control. Fusion , vol. 45, N 12A, рp. A39-A57, 2003.
3. N.E.Andreev and S.V.Kuznetsov, “Laser Wakefield Acceleration of Finite Charge Electron Bunches.” // IEEE Trans. on Plasma Sci., vol. 36, No.4. pp. 1765-1772, 2008.

Наши основные публикации по теме