วิธีการเร่งความเร็วด้วยเลเซอร์ของอิเล็กตรอนและอุปกรณ์สำหรับการนำไปใช้งาน ห้าสิบปีแห่งเลเซอร์ ก้าวใหม่ - เครื่องเร่งความเร็วบนโต๊ะ ความยากของฟิสิกส์ของคันเร่ง

คานรอง

การทดลองสมัยใหม่ใช้กันอย่างแพร่หลายในลำแสงอนุภาคทุติยภูมิ ซึ่งถูกสร้างขึ้นหลังจากอันตรกิริยาของลำแสงอนุภาคเร่งปฐมภูมิกับเป้าหมาย การใช้ตัวแยกแม่เหล็กไฟฟ้าและคอลลิเมเตอร์ อนุภาคสามารถแยกออกจากอนุภาคจำนวนมากที่ก่อตัวบนชิ้นงานได้ บางประเภทและแรงกระตุ้นบางอย่าง ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ วิธีการนี้จะสร้างลำแสงทุติยภูมิของนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสี ซึ่งมีอายุการใช้งานนานหลายมิลลิวินาที ในทำนองเดียวกัน สามารถรับลำแสงทุติยภูมิของ p- และ K-มีซอนได้ คานทุติยภูมิของพีมีซอนสามารถใช้สร้างคานนิวตริโนได้ ซึ่งได้มาจากการสลายตัวของพีมีซอน:

p->ม- +n ม, p+>ม+ + นาโนเมตร

สามารถรับลำแสงนิวตริโนบริสุทธิ์ได้โดยการกรองอนุภาคที่เกิดขึ้นผ่านตัวดูดซับแบบหนา

ความเร่งด้วยเลเซอร์ของอิเล็กตรอน

แนวคิดในการใช้เลเซอร์เพื่อเร่งอิเล็กตรอนในพลาสมาถูกหยิบยกขึ้นมาในปี 1979 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน สำหรับพัลส์เลเซอร์สั้น การศึกษาเชิงวิเคราะห์ครั้งแรกได้รับการตีพิมพ์ในปี 1987 และ 1988 ในความเป็นจริง การเร่งด้วยเลเซอร์ของอิเล็กตรอนในพลาสมานั้นใกล้เคียงกับวิธีการเร่งความเร็วอิเล็กตรอนแบบรวม ซึ่งได้รับการพัฒนามานานหลายปีที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีคาร์คอฟ ภายใต้การนำของ Ya.B. คุณสามารถอ่านเกี่ยวกับปัญหาที่เทคโนโลยีเครื่องเร่งสุญญากาศแบบดั้งเดิมต้องเผชิญ และเกี่ยวกับวิธีการรวมการเร่งความเร็วในพลาสมาได้ในบทความที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ในวารสาร Nature

ข้าว. 57

เส้นประแสดงเส้นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนลดลง เส้นทึบแสดงเส้นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้น ลูกศรแสดงทิศทางการแพร่กระจายของพัลส์เลเซอร์

เมื่อใช้กับพัลส์เลเซอร์สั้น ความเร่งของอิเล็กตรอนในพลาสมาสามารถแสดงเป็นแผนผังได้ดังนี้ การแพร่กระจายในพลาสมา พัลส์จะผลักอิเล็กตรอนออกจากบริเวณที่พัลส์ตั้งอยู่ ในขณะนี้ตั้งอยู่ (รูปที่ 3) นอกจากแรงจากโมเมนตัมแล้ว อิเล็กตรอนยังอยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าจากพลาสมาไอออน ซึ่งถือได้ว่าไม่เคลื่อนที่เนื่องจากมีมวลมากกว่า หลังจากที่พัลส์ออกจากบริเวณนี้แล้ว มีเพียงสนามแยกประจุเท่านั้นที่กระทำต่ออิเล็กตรอน โดยมีแนวโน้มที่จะส่งอิเล็กตรอนกลับไปยังตำแหน่งเดิม เมื่อเร่งความเร็วในสนามนี้ อิเล็กตรอนจะเกินตำแหน่งเริ่มต้นและเริ่มแกว่งเมื่อเทียบกับไอออนที่ความถี่พลาสมาที่เรียกว่า เนื่องจากพัลส์วิ่งผ่านพลาสมาและผลักอิเล็กตรอนที่มาบรรจบกันในเส้นทางของมันอย่างต่อเนื่อง มันจึงเริ่มการแกว่งของพลาสมาด้านหลังเสมอ นอกจากนี้ ระยะเริ่มต้นของการแกว่งเหล่านี้จะแตกต่างกันที่จุดต่างๆ ตามเส้นทางพัลส์ เป็นผลให้คลื่นแยกประจุเกิดความตื่นเต้น ซึ่งเป็นระยะที่แพร่กระจายผ่านพลาสมาด้วยความเร็วของพัลส์ (ที่เรียกว่าคลื่นปลุก รูปที่ 4) สนามไฟฟ้าของคลื่นนี้ในช่วงครึ่งหนึ่งของคาบจะมุ่งไปในทิศทางของการแพร่กระจายของพัลส์และอีกครึ่งหนึ่งของคาบนั้นมุ่งไปในทิศทางของการแพร่กระจายของพัลส์ หากอิเล็กตรอนที่มีความเร็วเริ่มต้นเท่ากับความเร็วของพัลส์ถูกวางในบริเวณนั้นของคลื่นพลาสมา โดยที่แรงที่กระทำต่อมันจากสนามไฟฟ้านั้นมุ่งไปในทิศทางของการเคลื่อนที่ของมัน จากนั้นอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับ คลื่นจะเริ่มเร่งความเร็ว เครื่องเร่งความเร็วดังกล่าวเรียกว่า "เครื่องเร่งคลื่นปลุก" สำหรับอนุภาคเชิงสัมพัทธภาพซึ่งมีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง ความเร็วที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยก็สอดคล้องกับพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ผลจากการเร่งความเร็วทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ข้าว. 58 - การรบกวนของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในคลื่นปลุกที่ถูกกระตุ้นด้วยพัลส์เลเซอร์ด้วยระยะเวลา 30 fs และกำลัง ~30 TW ในพลาสมาที่มีความหนาแน่น 2.2·1018 cm-3 ตามแนวแกนตั้งคือพิกัดแนวรัศมีที่วัดจากแกนพัลส์ บนแกนนอน - เวลาหลังจากที่พัลส์เลเซอร์ผ่านจุดที่กำหนด

การทดลองที่ดำเนินการในฝรั่งเศสแสดงให้เห็นว่ามีการใช้กลไกการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนที่อธิบายไว้ข้างต้นแล้ว แต่ผลลัพธ์ของพลังงานอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นนั้นไม่มีนัยสำคัญเนื่องจากความยาวที่สั้นมากซึ่งเกิดความเร่งนี้

ในตอนแรกเชื่อกันว่าพัลส์เลเซอร์ที่มีระยะเวลาใกล้เคียงกับคาบการแกว่งของพลาสมาเหมาะที่สุดสำหรับคลื่นปลุกที่น่าตื่นเต้น ในขณะที่พัลส์ที่ยาวกว่านั้นไม่เหมาะกับจุดประสงค์นี้ แต่การคำนวณเชิงตัวเลขและการทดลองต่อมาแสดงให้เห็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น พัลส์เลเซอร์ซึ่งมีความยาวเกินความยาวของคลื่นพลาสมาอย่างมีนัยสำคัญและพลังงานเกินค่าที่กำหนดจะเปลี่ยนรูปร่างของมันระหว่างการแพร่กระจายในพลาสมา (รูปที่ 5) ขั้นแรก การปรับแอมพลิจูดจะเกิดขึ้น จากนั้นจึงแบ่งออกเป็นลำดับของพัลส์ที่สั้นกว่าโดยมีคาบการทำซ้ำเท่ากับคาบพลาสมา เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าการปรับพัลส์ด้วยตนเอง เสียงสะท้อนเกิดขึ้นระหว่างลำดับของพัลส์สั้นและการแกว่งของพลาสมา แต่ละพัลส์สั้นที่ตามมาจะเพิ่มแอมพลิจูดของคลื่นปลุกที่ถูกกระตุ้นโดยพัลส์สั้นแรก ผลก็คือ ภายในเลเซอร์พัลส์แล้ว สนามของคลื่นพลาสมาจะมีขนาดใหญ่มากและสูงถึง 109 V/cm พลาสมาอิเล็กตรอนบางส่วนถูกจับในคลื่นพลาสมา พวกมันเริ่มเคลื่อนที่ไปตามคลื่นและถูกเร่งความเร็วให้มีพลังงานประมาณ 100 MeV ในความยาวหลายมิลลิเมตร

ข้าว. 59

บนพัลส์เริ่มต้นที่มีความเข้มแปรผันอย่างราบรื่นในพื้นที่ (รูปซ้าย) การมอดูเลตแอมพลิจูดจะปรากฏขึ้นครั้งแรก (รูปกลาง) จากนั้นจะถูกแบ่งออกเป็นสายโซ่ของพัลส์ที่มีความยาวสั้น (รูปขวา) ซึ่งมีระยะห่างระหว่างซึ่งเท่ากับ ความยาวคลื่นพลาสม่า lp.

การทดลองที่ดำเนินการในฝรั่งเศส สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และอังกฤษ แสดงให้เห็นว่าในโหมดการปรับตัวเอง พลังงานสูงสุดของอิเล็กตรอนเร่งค่อนข้างสูง แต่สเปกตรัมพลังงานกว้างมาก ซึ่งเป็นข้อเสียจากมุมมองที่เป็นไปได้ การใช้งาน

ในปี พ.ศ. 2547 กลุ่มทดลองสามกลุ่มได้ค้นพบรูปแบบใหม่ของการเร่งอิเล็กตรอน โดยให้พลังงานสูงถึง 250 MeV และสเปกตรัมของพลังงานค่อนข้างแคบ ในโหมดนี้ ความเข้มของการแผ่รังสีเลเซอร์เกิน 1,019 W/cm2 และความยาวพัลส์ใกล้เคียงกับความยาวคลื่นพลาสมา แรงกดความถี่สูงที่กระทำต่อพลาสมาอิเล็กตรอนนั้นยิ่งใหญ่มากจนทันทีหลังพัลส์จะเกิดบริเวณเกือบเป็นทรงกลมซึ่งแทบไม่มีอิเล็กตรอนเลย บริเวณนี้เริ่มถูกเรียกว่าฟอง และโหมดการเร่งความเร็วเองก็กลายเป็นโหมดฟอง (รูปที่ 6) พลาสมาอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งถูกจับจากพลาสมาเข้าสู่บริเวณนี้ ซึ่งถูกเร่ง

ปัจจุบัน วัสดุเชิงทดลองและทฤษฎีที่สำคัญได้สะสมไว้แล้ว ซึ่งเพียงพอสำหรับการออกแบบและสร้างเครื่องเร่งเลเซอร์ที่มีพลังงานอิเล็กตรอนมากกว่า 1,000 MeV ขณะนี้หลายโครงการดังกล่าวใกล้จะถึงการดำเนินการแล้ว

ข้าว. 60 - การแพร่กระจายของชีพจรเลเซอร์ในโหมดฟอง ด้านหลังชีพจรทันทีจะมีบริเวณที่ไม่มีอิเล็กตรอน (ฟองอิเล็กตรอน) เกิดขึ้น อิเล็กตรอนกลุ่มเล็กๆ ถูกจับจากพลาสมาและถูกเร่ง

ความเร่งของเครื่องตรวจจับอนุภาคโปรตอน

ในปี พ.ศ. 2543 เมื่อฟอยล์บาง ๆ ได้รับการฉายรังสีด้วยพัลส์เลเซอร์ความเข้มสูง (มากกว่า 1,018 W/cm2) โปรตอนที่มีพลังงานสูงถึง 10 MeV ถูกค้นพบ โดยส่วนใหญ่หลุดออกมาจากผนังด้านหลังของฟอยล์ไปในทิศทางของการแพร่กระจายของพัลส์ ผลลัพธ์นี้กระตุ้นความสนใจอย่างมาก การทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีกในห้องปฏิบัติการหลายแห่ง พลังงานโปรตอนที่วัดได้สูงสุดในบางส่วนสูงถึง 60 MeV และจำนวนถึง 1,012 ต่อเลเซอร์พัลส์

โปรตอนที่มีพลังงานสูงขนาดนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร? การวิเคราะห์ข้อมูลการทดลองและการคำนวณเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่าภายใต้การกระทำของพัลส์เลเซอร์ อิเล็กตรอนเร็วจะปรากฏในฟอยล์ซึ่งผ่านฟอยล์และบินออกมาจากด้านตรงข้าม แต่พวกมันก็บินไปไกลไม่ได้ พวกมันถูกหยุดโดยสนามไฟฟ้าของไอออนที่เหลืออยู่ในฟอยล์ ชั้นที่มีประจุลบซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนจะก่อตัวขึ้นใกล้กับพื้นผิวด้านหลังของเป้าหมาย สนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนเหล่านี้จะตั้งฉากกับพื้นผิวและมีค่าเพียงพอที่จะทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนที่อยู่บนพื้นผิว จากนั้นภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าเดียวกัน ไอออนจะเริ่มเร่งความเร็ว สองชั้นจะปรากฏขึ้น ประกอบด้วยชั้นของอิเล็กตรอนและไอออนที่แยกออกจากกันในอวกาศ ซึ่งบินออกจากเป้าหมาย ในระหว่างกระบวนการเร่งความเร็ว พลังงานจะถูกถ่ายโอนจากอิเล็กตรอนไปเป็นไอออน ไอออนแสง (โปรตอน) ที่เกิดจากอะตอมไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวของฟอยล์จะถูกเร่งอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด (รูปที่ 61)

ข้าว. 61 - ความเร่งของไอออน (โปรตอน) เมื่อฉายรังสีฟอยล์บาง ๆ ด้วยพัลส์เลเซอร์สั้น ๆ พัลส์เลเซอร์ตกลงบนขอบเขตด้านซ้ายของฟอยล์ อิเล็กตรอนเร็วจะบินออกไปผ่านขอบเขตด้านขวาของฟอยล์และเร่งไอออนด้วยสนามไฟฟ้า

แหล่งที่มาของไอออนพลังงานดังกล่าวได้ถูกนำมาใช้แล้วในการถ่ายภาพรังสีโปรตอน เมื่อได้ภาพของวัตถุโดยการฉายลำแสงโปรตอนผ่านวัตถุนั้น วิธีนี้ทำให้สามารถกำหนดโครงสร้างของสนามไฟฟ้าภายในวัตถุที่กำลังศึกษาได้โดยเฉพาะ แต่แหล่งกำเนิดเลเซอร์ของไอออนเร็วมีแนวโน้มสูงสุดในด้านการแพทย์ (ด้านเนื้องอกวิทยา) ความจริงก็คือเป็นการสมควรกว่าที่จะใช้โปรตอนเพื่อมีอิทธิพลต่อเนื้องอกมะเร็ง ปัจจุบันแหล่งที่มาของโปรตอนดังกล่าวมาจากเครื่องเร่งสุญญากาศหลายชนิดซึ่งมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง มีความหวังว่าแหล่งเลเซอร์จะมีขนาดกะทัดรัดและราคาถูกกว่า

เครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุได้หยุดให้บริการมานานแล้ว เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์- ทุกวันนี้ในโลกก็มีเครื่องเร่งปฏิกิริยามากกว่า 30,000 เครื่อง และส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบำบัดด้วยรังสีรักษามะเร็ง การทำหมัน และการผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น หากต้องการเปลี่ยนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนบริสุทธิ์ให้เป็นไมโครชิป คุณต้องใส่อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ให้อยู่ในตำแหน่งที่กำหนดอย่างเคร่งครัด และเครื่องเร่งความเร็วก็เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสิ่งนี้ ยิ่งเครื่องเร่งความเร็วที่มีขนาดกะทัดรัด เชื่อถือได้ และราคาถูกกว่ามากเท่าไร ก็ยิ่งทำกำไรได้มากขึ้นเท่านั้นและยิ่งสามารถค้นพบงานใหม่ ๆ ได้มากขึ้นเท่านั้น

ในการเร่งความเร็วครั้งแรกการใช้ไฟฟ้าแรงสูงทำให้เกิดสนามไฟฟ้าสถิตอันทรงพลังซึ่งรับและเร่งอนุภาคที่มีประจุ แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่สามารถจ่ายไฟได้มากกว่าล้านโวลต์นั้นเป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อน มีราคาแพง และใช้งานยาก แรงดันไฟฟ้านี้สามารถสร้างประจุไฟฟ้าไปยังวัตถุอื่นได้ในระยะมากกว่าหนึ่งเมตร ทุกวันนี้ แทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้าคงที่ อนุภาคจะถูกเร่งโดยการใช้สนามไฟฟ้ากระแสสลับกับพวกมันหลายครั้ง

คำอธิบาย

เครื่องเร่งความเร็วสมัยใหม่ทั้งหมดทำงานในลักษณะนี้ แต่วิธีนี้ได้มาถึงขีดจำกัดแล้ว เพื่อพัฒนาอุปกรณ์ดังกล่าวเพิ่มเติม นักฟิสิกส์จำนวนมากกำลังศึกษาความเป็นไปได้ในการเร่งอนุภาคที่มีประจุในสนามที่เกิดขึ้นเมื่อรังสีเลเซอร์มีปฏิกิริยากับสสาร พัลส์เลเซอร์สามารถรวมพลังงานเป็นการระเบิดที่สั้นมากและทำให้รุนแรงมาก พลังงานสูงโดยไม่ต้องสร้างการติดตั้งที่ซับซ้อน

ในการเร่งอนุภาค (เช่น โปรตอน) โดยใช้เลเซอร์ นักฟิสิกส์ในทศวรรษที่ผ่านมาได้ควบคุมพัลส์เลเซอร์ที่ฟอยล์บางๆ ในกรณีนี้ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะเร่งอิเล็กตรอนบางส่วนภายในคลื่นแสง ซึ่งส่งผลให้พวกมันบินผ่านฟอยล์ ทำให้เกิดพื้นที่ที่มีประจุต่างกันสองแห่งในวัสดุ และในบริเวณที่มีสองบริเวณที่มีประจุตรงข้ามกัน ก็จะมีสนามไฟฟ้าด้วย ซึ่งสามารถรับอนุภาคและให้โมเมนตัมที่จำเป็นแก่พวกมันได้

อ่านเพิ่มเติม:

การทดลองก่อนหน้านี้กับลำแสงเลเซอร์และฟอยล์แสดงให้เห็นว่าโปรตอนที่มีพลังงานสูงถึง 8 MeV สามารถถูกกระแทกออกจากวัสดุได้ ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่อิเล็กตรอนจะได้รับหากบินระหว่างจุดที่มีความต่างศักย์ 8 ล้านโวลต์ ซึ่งเพียงพอแล้วสำหรับหลายกรณีของการใช้เครื่องเร่งความเร็วในทางปฏิบัติ แต่ยังไม่เพียงพอสำหรับเครื่องเร่งความเร็วทางการแพทย์ ตัวอย่างเช่น การบำบัดด้วยโปรตอนสำหรับมะเร็งมักใช้อนุภาคที่มีพลังงานเกินกว่าร้อย MeV

และสำหรับการเผาไหม้เนื้องอกแบบกำหนดเป้าหมายนั้นเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่ถูกที่สุดที่เป็นไปได้ ความจริงก็คือตอนนี้เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้จำเป็นต้องสร้างซินโครตรอนที่ซับซ้อนซึ่งมีน้ำหนักหลายร้อยตันดังนั้นจึงมีเพียงประมาณห้าสิบแห่งในโลกที่สามารถดำเนินการบำบัดด้วยโปรตอนได้ (หลายแห่งอยู่ในรัสเซีย) โดยธรรมชาติแล้ว ยิ่งอุปกรณ์ดังกล่าวราคาถูกลงเท่าไรก็ยิ่งสามารถสร้างได้มากขึ้นและช่วยชีวิตได้มากขึ้นเท่านั้น

คำอธิบาย

สิ่งพิมพ์ใหม่ใน ฟิสิกส์การสื่อสารอธิบายแนวทางที่ปรับเปลี่ยนเล็กน้อย: แทนที่จะใช้พัลส์อันทรงพลังอันเดียวที่มีพลังงาน 1.1 จูล นักฟิสิกส์ชาวสวีเดนเสนอให้รับพัลส์สองอันอันละ 0.55 จูล ในทางปฏิบัติ หมายความว่าพัลส์หนึ่งจะถูกแบ่งออกเป็นสองโดยใช้กระจกโปร่งแสง ลำแสงสองลำตกลงบนฟอยล์ที่มุมหนึ่ง และดังที่แบบจำลองได้แสดงให้เห็นแล้ว สิ่งนี้จะเพิ่มพลังงานของโปรตอนที่ปล่อยออกมาอย่างมีนัยสำคัญโดยไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม ตามการคำนวณของนักวิทยาศาสตร์ การออกแบบลำแสงสองลำจะเพิ่มพลังงานโปรตอนสูงสุดเป็น 14 MeV

แต่สำหรับยาก็ยังไม่เพียงพอ โปรตอนที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ของรังสีเลเซอร์นั้นมีสเปกตรัมที่กว้างเกินไป พลังงานของอนุภาคมีการกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอระหว่างพวกมัน และบางตัวเคลื่อนที่ช้ากว่าอนุภาคอื่นอย่างเห็นได้ชัด แต่สัดส่วนของอนุภาคที่ได้รับพลังงานมากกว่า 1 MeV เพิ่มขึ้นห้าเท่า สิ่งนี้ทำให้เราสามารถวางใจความก้าวหน้าในด้านนี้ต่อไปได้ นักวิจัยเน้นย้ำว่าลำแสงเลเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นส่วนต่างๆ ได้มากขึ้น อาจจะ, การเลือกที่ถูกต้องการกำหนดค่าลำแสงจะช่วยให้คุณได้ผลลัพธ์ที่ดียิ่งขึ้น

วิธีนี้เป็นการทดลองสร้างลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงานเกิน 8 GeV

ความเร่งโดยตรงด้วยสนามเลเซอร์

การเร่งความเร็วโดยตรงด้วยสนามเลเซอร์นั้นไม่ได้ผลเนื่องจากในปัญหามิติเดียวอย่างเคร่งครัดอิเล็กตรอนที่เข้าสู่สนามของพัลส์เลเซอร์หลังจากปล่อยออกมาจะมีพลังงานเท่ากับตอนเริ่มต้นนั่นคือจำเป็นต้องดำเนินการ ความเร่งในสนามที่มีโฟกัสสูงซึ่งองค์ประกอบตามยาวของสนามไฟฟ้ามีความสำคัญ แต่ในสนามดังกล่าว ความเร็วเฟสของคลื่นตามแกนการแพร่กระจายจะมากกว่าความเร็วแสง ดังนั้น อิเล็กตรอนจึงล้าหลังสนามเร่งอย่างรวดเร็ว เพื่อชดเชยผลกระทบหลัง เสนอให้ดำเนินการเร่งความเร็วในก๊าซ โดยที่ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์สูงกว่าเอกภาพและความเร็วเฟสลดลง อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ ข้อจำกัดที่สำคัญคือที่ความเข้มของการแผ่รังสีประมาณ 10 14 W/cm² ก๊าซจะแตกตัวเป็นไอออนและก่อตัวเป็นพลาสมา ซึ่งนำไปสู่การพร่ามัวของลำแสงเลเซอร์ จากการทดลอง วิธีนี้แสดงให้เห็นถึงการปรับลำแสงอิเล็กตรอน 3.7 MeV ด้วยพลังงาน 40 MeV

ความเร่งในคลื่นพลาสมา

เมื่อพัลส์เลเซอร์ที่มีความเข้มข้นเพียงพอแพร่กระจายในก๊าซ มันจะแตกตัวเป็นไอออนด้วยการก่อตัวของพลาสมาที่ไม่สมดุล ซึ่งเนื่องจากผลกระทบของการแผ่รังสีเลเซอร์แบบพอนด์โรโมทีฟ จึงเป็นไปได้ที่จะกระตุ้นสิ่งที่เรียกว่าคลื่นปลุก - คลื่นแลงเมียร์ที่กำลังเคลื่อนที่ หลังจากชีพจร คลื่นนี้มีระยะที่สนามไฟฟ้าตามยาวเร่งให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น เนื่องจากความเร็วเฟสของคลื่นตามยาวเท่ากับความเร็วกลุ่มของพัลส์เลเซอร์ในพลาสมา ซึ่งน้อยกว่าความเร็วแสงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น อิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพจึงสามารถคงอยู่ในเฟสการเร่งได้ค่อนข้างนานจึงได้รับพลังงานที่สำคัญ . วิธีการเร่งอิเล็กตรอนนี้ถูกเสนอครั้งแรกในปี 1979

เมื่อความเข้มของพัลส์เลเซอร์เพิ่มขึ้น แอมพลิจูดของคลื่นพลาสมาที่ถูกกระตุ้นจะเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้ อัตราการเร่งความเร็วจึงเพิ่มขึ้น เมื่อมีความเข้มสูงพอสมควร คลื่นพลาสมาจะกลายเป็นแบบไม่เชิงเส้นและพังทลายลงในที่สุด ในกรณีนี้การแพร่กระจายของพัลส์เลเซอร์ในพลาสมาแบบไม่เชิงเส้นสูงเป็นไปได้ - ระบอบการปกครองที่เรียกว่าฟอง (หรือฟอง) ซึ่งมีโพรงคล้ายฟองซึ่งเกือบจะไร้อิเล็กตรอนเกือบทั้งหมดถูกสร้างขึ้นด้านหลังพัลส์เลเซอร์ ช่องนี้ยังมีสนามไฟฟ้าตามยาวที่สามารถเร่งอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

จากการทดลอง ในโหมดปฏิสัมพันธ์เชิงเส้น ได้รับลำแสงอิเล็กตรอนซึ่งถูกเร่งให้เป็นพลังงานลำดับ 1 GeV บนเส้นทางยาว 3 ซม. เพื่อชดเชยการเลี้ยวเบนของการเลี้ยวเบนของพัลส์เลเซอร์ ในกรณีนี้คือท่อนำคลื่นในรูปแบบ มีการใช้เส้นเลือดฝอยแบบบางเพิ่มเติม การเพิ่มพลังของเลเซอร์พัลส์เป็นระดับเพตะวัตต์ทำให้สามารถเพิ่มพลังงานอิเล็กตรอนเป็น 2 GeV พลังงานอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอีกทำได้โดยการแยกกระบวนการฉีดออกเป็นคลื่นพลาสมาเร่งและกระบวนการเร่งความเร็วเอง เมื่อใช้วิธีนี้ จะได้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานประมาณ 0.5 GeV ในปี 2554 และในปี 2556 ก็เกินระดับ 3 GeV และ ความยาวรวมช่องเร่งความเร็วเพียง 1.4 ซม. (4 มม. - ระยะฉีด, 1 ซม. - ระยะเร่ง) ในปี 2014 ผลการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนในเส้นเลือดฝอยยาว 9 ซม. โดยใช้เลเซอร์ BELLA ได้รับที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley การทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเร่งของพลังงานที่เกิน 4 GeV ด้วยพัลส์เลเซอร์ 0.3 PW ซึ่งเป็นสถิติใหม่ ในปี 2019 ได้มีการสร้างสถิติใหม่ที่นั่น ด้วยกำลังพัลส์เลเซอร์สูงสุดที่ 0.85 PW ทำให้ได้รับอิเล็กตรอนที่มีพลังงานประมาณ 7.8 GeV ในเส้นเลือดฝอยยาว 20 ซม.

ในโหมดปฏิสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้น พลังงานสูงสุดที่ได้คือ 1.45 GeV บนเส้นทางยาว 1.3 ซม. มีการใช้พัลส์เลเซอร์ที่มีกำลัง 110 TW ในการทดลอง

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

1. อาร์. โจเอล อังกฤษ และคณะเครื่องเร่งเลเซอร์อิเล็กทริก (อังกฤษ) // Rev. มด ฟิสิกส์ - - 2557. - ฉบับที่. 86. - หน้า 1337. - ดอย:10.1103/RevModPhys.86.1337.
2. อี. เอซาเรย์, พี. สแปงเกิล, เจ. ครัลล์ความเร่งด้วยเลเซอร์ของอิเล็กตรอนในสุญญากาศ (อังกฤษ) // Phys. สาธุคุณ อ. - 1995. - ฉบับที่. 52. - หน้า 5443.
3. ที. ทาจิมะ, เจ. เอ็ม. ดอว์สัน.เครื่องเร่งความเร็วเลเซอร์อิเล็กตรอน (อังกฤษ) // Phys. สาธุคุณ เล็ตต์ - - พ.ศ. 2522. - เล่ม. 43. - หน้า 267.
4. ดับบลิว. พี. ลีแมนส์ และคณะลำอิเล็กตรอน GeV จากเครื่องเร่งอนุภาคเซนติเมตร (อังกฤษ) // ฟิสิกส์ธรรมชาติ - 2549. - ฉบับที่. 2. - ป.696-699.
5. เสี่ยวหมิง หวัง และคณะการเร่งด้วยเลเซอร์ - พลาสมากึ่งพลังงานเดี่ยวของอิเล็กตรอนเป็น 2 GeV (อังกฤษ) // การสื่อสารทางธรรมชาติ - 2556. - ฉบับที่. 4. - หน้า 1988.
6. บี.บี. พอลล็อค และคณะการสาธิตการแพร่กระจายพลังงานแคบ, ลำแสงอิเล็กตรอน ∼0.5 GeV จากเครื่องเร่งเลเซอร์เวคฟิลด์แบบสองขั้นตอน (ภาษาอังกฤษ) // Phys. สาธุคุณ เล็ตต์ - - 2554. - ฉบับที่. 107. - ป.045001.
7. ฮยอนแทคคิม และคณะการเพิ่มพลังงานอิเล็กตรอนให้กับระบบ Multi-GeV โดยเครื่องเร่งเลเซอร์ - เวคฟิลด์แบบสองขั้นตอนที่สูบโดยพัลส์เลเซอร์ Petawatt // Phys สาธุคุณ เล็ตต์ - - 2556. - ฉบับที่. 111. - หน้า 165002. - ดอย:10.1103/PhysRevLett.111.165002. - arXiv:1307.4159.
8. W. P. ลีแมนส์ และคณะลำแสงอิเล็กตรอนแบบ Multi-GeV จากพัลส์เลเซอร์ Subpetawatt แบบ Capillary-Discharge-Guided ในระบบการปกครองแบบดักจับตัวเอง // Phys สาธุคุณ เล็ตต์ - - 2557. - ฉบับที่. 113. - หน้า 245002. - ดอย:10.1103/PhysRevLett.113.245002.
9. เอ.เจ. กอนซาลเวส และคณะการนำทางด้วยเลเซอร์ Petawatt และการเร่งความเร็วลำแสงอิเล็กตรอนเป็น 8 GeV ในท่อนำคลื่นคายประจุของเส้นเลือดฝอยที่ให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ // Phys สาธุคุณ เล็ตต์ - - 2562. - ฉบับที่. 122. - พ. 084801. - ดอย:10.1103/PhysRevLett.122.084801.
10. ซี. อี. เคลย์ตัน และคณะการเร่งความเร็วด้วยเลเซอร์เวคฟิลด์แบบนำทางด้วยตนเองเกิน 1 GeV โดยใช้การฉีดแบบไอออไนเซชัน // Phys สาธุคุณ เล็ตต์ - - 2553. - ฉบับที่. 105. - หน้า 105003.

วรรณกรรม

ทางวิทยาศาสตร์

• อี. เอซาเรย์, ซี. บี. ชโรเดอร์, ดับเบิลยู. พี. ลีแมนส์.

สวัสดี ฉันชื่ออเล็กซานเดอร์ ฉันเป็นนักฟิสิกส์ ภายนอกอาจฟังดูเหมือนประโยค แต่จริงๆ แล้วเป็นเช่นนั้น ปรากฎว่าฉันมีส่วนร่วมในการวิจัยพื้นฐานทางฟิสิกส์ กล่าวคือ ฉันกำลังศึกษาอนุภาคที่มีประจุเร่ง: โปรตอนและอนุภาคที่ใหญ่กว่านั้นทั้งหมด - ไอออนบวกนั่นคือ ในการวิจัยของฉัน ฉันไม่ได้ใช้เครื่องเร่งความเร็วขนาดใหญ่เช่น LHC แต่ฉันยิงเลเซอร์ไปที่ฟอยล์ และโปรตอนจะพุ่งออกมาจากฟอยล์

ตอนนี้บางคำเกี่ยวกับฉัน ฉันสำเร็จการศึกษาจากคณะ Photonics และ Optical Informatics ที่ ITMO ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก จากนั้นไปศึกษาต่อในระดับปริญญาโทที่มหาวิทยาลัย Aalto (ในฟินแลนด์) ในสาขาวิชาจุลภาคและนาโนเทคโนโลยี จากนั้นจึงละทิ้งสิ่งเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้ กล้องจุลทรรศน์ และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ห้องสะอาด และฉันก็เข้าสู่วิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานด้วยเลเซอร์ขนาดใหญ่ ตอนนี้ฉันกำลังทำงานในบัณฑิตวิทยาลัยทางตะวันตกเฉียงใต้ของสวีเดนในเมืองลุนด์ในมหาวิทยาลัยชื่อเดียวกัน นี่เป็นเรื่องเกี่ยวกับการยิงปืนใหญ่จากโคเปนเฮเกน

ทันทีที่ฉันเร่งความเร็ว มันก็บินไป

ลองเปรียบเทียบสองตัวอย่างของอัจฉริยะทางกายที่มืดมนนี้โดยละเอียดยิ่งขึ้น ดูที่คันเร่งด้านซ้ายและด้านขวา จากนั้นอีกครั้งที่ด้านซ้ายและอีกครั้งทางด้านขวา: ใช่ ของฉันอยู่บนหลังม้า (ตลก - หมายเหตุของผู้เขียน) ที่จริงแล้ว ของฉันมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงหนึ่งเมตร และโปรตอนเองก็ถูกเร่งด้วยแผ่นฟอยล์ ที่ยึดตั้งอยู่ตรงกลางวงกลมพอดี โดยมีกระโปรงสีทองแดงสวยงามอยู่ ซึ่งง่ายกว่าและกะทัดรัดกว่าตัวอย่างด้านซ้ายซึ่งมีขนาดเท่ากับรถบัสมาก และยังเต็มไปด้วยก๊าซที่ทำให้หายใจไม่ออกอีกด้วย ดังนั้น การยืนยันตัวเองให้เพียงพอ (ในวิชาฟิสิกส์มักเกิดขึ้นว่ายิ่งน้อยยิ่งดี) คุณสามารถหันไปใช้ฟิสิกส์ของกระบวนการเร่งความเร็วได้

เนื่องจากเราเร่งอนุภาคที่มีประจุ จึงสมเหตุสมผลที่สุดที่จะทำสิ่งนี้กับสนามไฟฟ้า เราจะจำแนกลักษณะสนามตามความตึงเครียด สำหรับผู้ที่หลังเลิกเรียนไปทั้งส่วนหน้าและหลังขอเตือนว่า: ความแรงของสนามไฟฟ้า - เวกเตอร์ ปริมาณทางกายภาพที่แสดงลักษณะของสนามไฟฟ้าที่จุดที่กำหนดและเป็นตัวเลขเท่ากับอัตราส่วนของแรงที่กระทำต่อประจุจุดที่หยุดนิ่งที่วาง ณ จุดที่กำหนดในสนามต่อขนาดของประจุนี้(คัดลอกและวางสกปรกจากวิกิพีเดีย) มีมิติ V/m เมื่อย้อนกลับไปที่การเปรียบเทียบ เครื่องเร่งความเร็วทางด้านซ้ายจะเร่งโปรตอนเป็น 4 MeV (เมกะอิเล็กตรอนโวลต์) ซึ่งก็คือ 2.77 * 10 7 m/s หรือ 9.2% ของความเร็วแสง เนื่องจากประจุโปรตอนคือ 1 และความยาวของคันเร่งคือ 2 เมตร ความแรงของสนามไฟฟ้าจะเป็น 2 MV/m ที่นี่เราสันนิษฐานว่าในทุกสถานที่ สนามนั้นมุ่งไปในทิศทางเดียว และโดยทั่วไปแล้ว เราอยู่ใกล้กับความจริงมาก เครื่องเร่งความเร็วที่มีสไตล์นี้มีความแรงของสนามที่มากกว่า TV/m หลายตัว ซึ่งมากกว่าประมาณล้านเท่า ถึงกระนั้นก็ควรค่าแก่การตระหนักว่ามีความยาวเพียงไม่กี่ไมครอนเท่านั้น

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าทุ่งของใครชันกว่ากัน ถึงเวลาที่จะหันไปหากลไกทางกายภาพและทางวิศวกรรมที่สร้างสาขานี้ ในกรณีของคันเร่งแบบธรรมดา จะมีแผ่นโลหะสองแผ่น แผ่นหนึ่งมีประจุลบ และแผ่นที่สองไม่มีประจุ จำการทดลองของโรงเรียนเกี่ยวกับการถูแท่งไม้กำมะถันด้วยขนแกะ หลักการนี้เหมือนกันทุกประการ แต่การดำเนินการนั้นซับซ้อนกว่ามาก หากคุณเร่งโปรตอนจากฟอยล์ สนามจะถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะบินออกจากพลาสมาร้อน พลาสมาจะถูกสร้างและให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ และส่วนที่เหลือของโพสต์ก็เกี่ยวกับทั้งหมดนี้

อยากให้ฉันตีเขาแล้วเขาจะเปลี่ยนเป็นสีม่วงเหรอ?

ในกรณีของฉัน ฉันจะยิงฟอยล์ด้วยเลเซอร์ ฉันจะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมหลังจากอธิบายฟิสิกส์ที่ไม่ซับซ้อนของกระบวนการรับสสารหนาแน่นอุ่นซึ่งเป็นชื่อทางวิทยาศาสตร์ของพลาสมาซึ่งเป็นสาเหตุของชัยชนะของการเร่งความเร็วของโปรตอนของฉัน ตอนนี้เรามาพูดถึงทุกอย่างตามลำดับ

เลเซอร์สร้างพัลส์ที่มีความยาวคลื่น 800 nm และ 35 fs โดยมีระยะเวลา (10 -15 วินาที) นั่นคือความยาวพัลส์จริงในสุญญากาศจะอยู่ที่ประมาณ 10 ไมครอน แรงกระตุ้นนี้มีพลังงานประมาณ 2 J ซึ่งถือว่ามาก หากคุณใช้พัลส์นี้และมุ่งไปที่ฟอยล์เป็นจุดกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 ไมครอน ความเข้มจะอยู่ที่ประมาณ 10 20 วัตต์/ซม.2 นี่เป็นจำนวนเงินที่ไม่เหมาะสมอยู่แล้ว ขอเปรียบเทียบอีกครั้ง: สามารถตัดเหล็กได้อย่างปลอดภัยที่ความเข้ม 10 8 W/cm 2 (หรือประมาณนั้น)

อันที่จริง เลเซอร์พัลส์เนื่องจากการออกแบบของแอมพลิฟายเออร์มีฐานก่อนหน้าซึ่งมีระยะเวลาประมาณ 500 ps และฐานนี้ช่วยเร่งโปรตอนได้เป็นอย่างดี

แตกตัวเป็นไอออนหมายถึงติดอาวุธ

ดังนั้นเราจึงมีฐาน ซึ่งเราเน้นไปที่แผ่นฟอยล์อย่างสมบูรณ์แบบด้วย และมันถูกดูดซับได้อย่างสมบูรณ์แบบที่นั่น เพื่อไม่ให้เข้าไปเกี่ยวข้องกับความซับซ้อนของฟิสิกส์สถานะของแข็ง ขอให้เราพิจารณาการดูดซับของอะตอมที่ตั้งอยู่อย่างอิสระ จาก กลศาสตร์ควอนตัมเรารู้ว่ามีเพียงโฟตอนเท่านั้นที่สามารถดูดซับได้ซึ่งพลังงานนั้นเท่ากับพลังงานของการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง หากพลังงานโฟตอนมากกว่าพลังงานไอออไนเซชัน (นั่นคือการส่งอิเล็กตรอนจากรังของพ่อแม่ในการเดินทางอย่างอิสระ) ส่วนเกินจะกลายเป็นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนทุกอย่างก็ง่าย ในกรณีของเรา โฟตอนที่มีความยาวคลื่น 800 นาโนเมตรไม่มีพลังงานเพียงพอ (นี่คือพลังงานของโฟตอนหนึ่งตัว ไม่ใช่ทั้งพัลส์!) เพื่อทำให้เป้าหมายแตกตัวเป็นไอออน แต่ฟิสิกส์มาช่วยเราแล้ว จำได้ไหมว่าฉันพูดถึงความเข้มของรังสีสูง? นอกจากนี้ หากเราจำได้ว่าแสงสามารถแสดงเป็นกระแสโฟตอนได้ และความเข้มเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแสงนั้น ปรากฎว่ากระแสโฟตอนมีขนาดใหญ่มาก และถ้าฟลักซ์มีขนาดใหญ่มากก็มีโอกาสสูงที่โฟตอนหลายตัวจะมาถึงที่เดียวและในเวลาเดียวกันและเมื่อพลังงานของพวกมันถูกดูดซับพวกมันก็จะเพิ่มขึ้นและไอออไนเซชันจะยังคงเกิดขึ้น น่าแปลกที่ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ามัลติโฟตอนไอออไนเซชัน และเราใช้มันเป็นประจำ

ในขณะนี้ เราพบว่าอิเล็กตรอนถูกแยกออกได้สำเร็จ ซึ่งหมายความว่าพัลส์หลักมาถึงพลาสมาสำเร็จรูปและเริ่มให้ความร้อน

พื้นฐานของฟิสิกส์พลาสมา (ไม่ได้คิดเรื่องตลกนะ อ่า)

ลักษณะสำคัญของพลาสมาของเราคือความหนาแน่น (จำนวนอิเล็กตรอนต่อหน่วยปริมาตร) ซึ่งเราจะแสดงเพิ่มเติมเป็น $n_e$ (เพื่อไม่ให้สับสนกับดัชนีการหักเหของแสง!) และอุณหภูมิของอิเล็กตรอนชนิดเดียวกันเหล่านี้ นั่นคือ , ความเร็วเฉลี่ยในการเคลื่อนที่ สิ่งนี้อธิบายโดยการแจกแจงของ Boltzmann ในลักษณะเดียวกับในหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน:

$$display$$\frac(m_e v^2)(2) = \frac(1)(2) k_B T_e,$$display$$

$$display$$\langle v \rangle = \sqrt(k_B T_e/m_e),$$display$$

ตอนนี้เราจะใช้สนามไฟฟ้ากับพลาสมาตามที่อธิบายไว้แล้ว ฉันขอเตือนคุณว่าพลาสมาประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุซึ่งหมายความว่าที่ความหนาแน่นที่กำหนดซึ่งอยู่ห่างจากจุดที่เราใช้สนามอิเล็กตรอนจะบดบัง (หน้าจอ) แหล่งกำเนิด (เช่นกลุ่ม Matrosov ตัวน้อย - บันทึกของผู้เขียน) ระยะทางที่ต้องการสำหรับสิ่งนี้เรียกว่าความยาวเดบาย และกำหนดโดยสมการ

$$display$$ \lambda_D = \sqrt(\frac(\epsilon_0 k_B T_e)(q^2_e n_e)) $$แสดง$$

เนื่องจากผลการคัดกรองและความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงมาก (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ) พลาสมาจึงไม่ตอบสนองต่อสนามที่มาถึงอย่างกะทันหันในทันที มีเหตุผลที่จะสรุปได้ว่าเวลาตอบสนองสัมพันธ์กับความยาวดีบายและความเร็วของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน การเปรียบเทียบที่ดีคือการขว้างก้อนหินลงทะเลสาบ เมื่อเปรียบเทียบกับทั้งทะเลสาบ หินจะส่งผลต่อผิวน้ำในทิศทางเดียวกัน ส่วนหนึ่งของน้ำเปลี่ยนแปลงทันที (ซึ่งเป็นจุดที่น้ำกระเซ็น) จากนั้นคลื่นก็เริ่มกระจายไปทั่วผิวน้ำ ในกรณีของพลาสมา สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันจะเป็นหิน ขนาดของสาดถูกกำหนดโดยความยาวของการป้องกัน (สนามไม่ได้ทำหน้าที่เกินนั้น) และการแพร่กระจายของคลื่นขึ้นอยู่กับว่าอิเล็กตรอนอยู่ใกล้กันแค่ไหน เราสามารถแนะนำคุณลักษณะเช่นเวลาตอบสนองของพลาสมาได้:

$inline$ t_D = \lambda_D / v $inline$ โดยส่วนใหญ่แล้ว มันแสดงให้เราเห็นว่าข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงในสนามที่ใช้จะไปถึงอิเล็กตรอนเหล่านั้น ซึ่งเมื่อก่อนไม่เห็นสนามนี้

เนื่องจากเราเป็นนักฟิสิกส์ เราจึงไม่ชอบเวลามากนัก สะดวกกว่ามากในการทำงานกับความถี่ดังนั้นเราจะแนะนำแนวคิดเรื่องความถี่ธรรมชาติของพลาสมา ค่านี้จะแสดงให้เราเห็นว่าเราสามารถเปลี่ยนแปลงสนามได้บ่อยเพียงใดเพื่อให้การสะสมของอิเล็กตรอนทั้งหมดซึ่งเราเรียกว่าพลาสมาอย่างภาคภูมิใจมีเวลาที่จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ แล้วอะไรจะง่ายกว่านี้ล่ะ? ลองหารหนึ่งด้วยเวลาตอบสนอง และนี่คือ - ความถี่:

$$display$$ \omega_p = \frac(1)(t_D) = \sqrt(\frac(q^2_e n_e)(\epsilon_0 m_e)) $$แสดง$$

ความถี่ธรรมชาติของพลาสมายังเป็นตัวกำหนดดัชนีการหักเหของแสงด้วย หากเราเขียนสมการคลื่นสำหรับการเคลื่อนที่รวมของอิเล็กตรอนในพลาสมาโดยสุจริต แล้วถือว่ามีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความหนาแน่นของอิเล็กตรอน (เราจะไม่ทำสิ่งนี้ที่นี่เพราะมันน่าเบื่อ) ดัชนีการหักเหของแสงจะถูกตั้งค่าดังนี้:

$$display$$ \eta = \sqrt(1-\frac(\omega^2_p)(\omega^2_0)) $$แสดง$$

ลองดูสำนวนนี้อย่างใกล้ชิด ในฐานะนักฟิสิกส์ทดลอง ฉันไม่ชอบจำนวนจริง แต่ฉันพยายามมองข้ามจำนวนเชิงซ้อน โดยเฉพาะดัชนีการหักเหของแสงเชิงซ้อน แล้วแสงสามารถแพร่กระจายผ่านสสารได้อย่างไร? ฉันช้ากว่าในสุญญากาศหลายเท่า? นี่เป็นเรื่องไร้สาระ! จริงๆ แล้วไม่ แต่จะมีมากกว่านั้นในครั้งต่อไป ถ้า $inline$\omega_0 > \omega_p$inline$ แสดงว่านิพจน์นั้นถูกต้อง และสนามไฟฟ้ากระแสสลับจะแพร่กระจายภายในพลาสมาของเรา ทุกคนมีความสุขและเราจะเรียกพลาสมาว่ามีความหนาแน่นไม่เพียงพอ อย่างไรก็ตาม ถ้า $inline$\omega_0< \omega_p$inline$ , то показатель преломления становится не то что комплексным, а целиком мнимым. В этом случае (и не просто потому что я так захотел) волна вообще не будет там распространяться, а сразу отразится без потерь. Это слишком плотная плазма. Очень классное явление, кстати. Называется плазменным зеркалом.

และเป็นของหวาน $inline$\omega_0 = \omega_p$inline$ นี่คือพลาสมาที่มีความหนาแน่นวิกฤต ในกรณีนี้มันเริ่มสะท้อนกับสนามไฟฟ้ากระแสสลับที่บังคับ (เราจัดหาให้) สำหรับกรณีพิเศษนี้ คุณยังสามารถแนะนำแนวคิดเรื่องความหนาแน่นวิกฤตและนิยามได้ดังนี้:

$$display$$ n_c = \frac(\epsilon_0 m_e \omega^2_0)(q^2_e) $$แสดง$$

ช็อก! เครื่องทำความร้อนพลาสม่า! เพื่อที่จะทำสิ่งนี้ คุณเพียงแค่ต้อง...

ขั้นแรก ให้พลาสมาที่เราสร้างขึ้นเป็นฐานมีการไล่ระดับความหนาแน่นที่ราบรื่น ในกรณีนี้ เราจะให้ความร้อนผ่านการดูดซับเรโซแนนซ์ ภาพประกอบนี้อยู่ในภาพด้านล่าง

ภาพประกอบของกระบวนการดูดซับเรโซแนนซ์: ก) การกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนใกล้กับด้านหน้าของเป้าหมาย; b) การหักเหของลำแสงเลเซอร์ในพลาสมาที่มีการไล่ระดับความหนาแน่น c) สนามไฟฟ้าในพลาสมา

ดังนั้น เลเซอร์จะฉายบนพลาสมาของเราเป็นมุมประมาณ 45 องศา และในขณะเดียวกัน มันก็ถูกโพลาไรซ์ในระนาบตกกระทบ โพลาไรซ์จะแสดงด้วยลูกศรสีแดงในรูป พลาสมาของเรามีการไล่ระดับความหนาแน่น ซึ่งหมายความว่าดัชนีการหักเหของแสงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง (ที่นี่กำลังเพิ่มขึ้น) เมื่อถึงจุดหนึ่งมันจะเกิดขึ้นที่พลาสมาบางชั้นสำหรับเลเซอร์ของเราจะกลายเป็น "หมุน" และมันจะสะท้อนออกมานั่นคือมันจะแพร่กระจายขนานกับชั้นวิกฤติในบางครั้ง สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่ามันจะหมุนก่อนที่จะถึงชั้นที่มีความหนาแน่นวิกฤต เนื่องจากเราปล่อยมันในมุมหนึ่งถึงชั้นปกติ ความหนาแน่นของพลาสมาซึ่งลำแสงเลเซอร์จะหมุนได้มาจากสมการต่อไปนี้:

$$display$$ n_t = n_c \cos^2 \อัลฟา,$$display$$

ตอนนี้ความสนุกเริ่มต้นขึ้นแล้ว ให้เราจำไว้ว่าแสงไม่ได้เป็นเพียงกระแสโฟตอนเท่านั้น แต่ยังเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย กล่าวคือ ชีพจรของเรามีสนามไฟฟ้าที่สั่นอย่างกลมกลืนกับแอมพลิจูดขนาดใหญ่ เมื่อแสงแพร่กระจายขนานกับชั้นวิกฤติ ก คลื่นยืนซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา (แน่นอน ตราบใดที่เลเซอร์พัลส์ยังคงอยู่) อันที่จริง สนามของคลื่นนี้ทะลุผ่านได้ไกลกว่าชั้นพลาสมาซึ่งเป็นจุดที่แสงหันไปถึงชั้นวิกฤติ ฉันขอเตือนคุณว่าความถี่ของการออสซิลเลชันของพลาสมาในชั้นวิกฤตินั้นเหมือนกับความถี่ของการแผ่รังสีเลเซอร์ ซึ่งหมายความว่าเกิดการสั่นพ้อง เมื่อเลเซอร์หยุดส่องแสง พลังงานที่เลเซอร์ส่งไปยังอิเล็กตรอนในชั้นวิกฤติจะถูกกระจายผ่านการกระแทกไปยังอิเล็กตรอนที่เหลือ ซึ่งหมายความว่าพลาสมาจะร้อนขึ้น

แล้วความเร่งอยู่ที่ไหนกันแน่?

	การก่อตัวของพลาสมาโดยแท่น ซึ่งก็คือ ไอออนไนซ์ที่ด้านหน้าของเป้าหมาย มักใช้ฟอยล์ที่มีความหนา 0.4 - 12 ไมครอนเป็นเป้าหมาย
	ที่นี่ส่วนหลักของพัลส์โต้ตอบกับพลาสมาที่สร้างขึ้นและทำให้ร้อนขึ้น อิเล็กตรอนบางตัวได้รับความร้อนมากจนบินออกมาจากด้านหลังของเป้าหมาย
	เมื่อมีอิเล็กตรอนไหลออกมามากพอ ประจุบวกที่เหลืออยู่ในฟอยล์จะดึงพวกมันกลับ ในพลาสมาพวกมันจะร้อนขึ้นอีกครั้งและบินออกไป ความสมดุลแบบไดนามิกได้ถูกสร้างขึ้นมาระยะหนึ่งแล้ว สนามไฟฟ้าตั้งฉากกับเป้าหมาย
	สนามไฟฟ้าเดียวกันนี้จะยกโปรตอนและไอออนอื่นๆ (ขึ้นอยู่กับสิ่งที่มีอยู่ในนั้น) จากพื้นผิวด้านหลังของเป้าหมาย แล้วเร่งความเร็วให้พวกมัน เมื่อไอออนเร่งความเร็ว เมฆอิเล็กตรอนก็พังทลายลงแล้ว และอนุภาคทั้งหมดก็เริ่มบินรวมกันต่อไป แล้วเราก็เริ่มเชื่อว่าพวกมันไม่มีปฏิสัมพันธ์กันอีกต่อไป

แบ่งแยกและพิชิต

นอกจากนี้เราสามารถดูโปรไฟล์ของลำโปรตอนที่กำลังบินได้ ยังไงก็กลมๆ นะ และถ้าเราสามารถวัดพลังงานของโปรตอนในแต่ละส่วนของลำแสงได้ เราก็จะสามารถคืนรูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนที่เร่งโปรตอนของเราได้อย่างชัดเจน

แทนที่จะได้ข้อสรุป

สำหรับผู้ที่สงสัยเกี่ยวกับตัวเลเซอร์และโครงสร้างของเลเซอร์เป็นพิเศษ

ฉันจะไม่ลงรายละเอียดมากนักเกี่ยวกับทฤษฎีเลเซอร์ พื้นฐานของที่มาของรังสีเลเซอร์มีระบุไว้อย่างสมบูรณ์ในบทความ Wikipedia เกี่ยวกับการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น กล่าวโดยสรุป การแผ่รังสีเลเซอร์ต้องใช้องค์ประกอบสามประการ: ตัวกลางแอคทีฟ (ซึ่งโฟตอนถูกปล่อยออกมา) ปั๊ม (จะรักษาตัวกลางแอคทีฟไว้ในสถานะซึ่งมีอะตอมที่ถูกกระตุ้นมากกว่าที่สามารถปล่อยออกมาได้) และเครื่องสะท้อน ( ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโฟตอนคัดลอกซึ่งกันและกันระหว่างการผ่านสื่อที่ใช้งานอยู่ซ้ำ ๆ กัน) ถ้าเอาส่วนประกอบทั้งหมดมารวมกันแล้วสวดมนต์ เลเซอร์จะเริ่มฉายแสงแต่ต่อเนื่อง หากคุณลองเพิ่มอีกนิด คุณสามารถสร้างพัลส์ได้ รวมถึงพัลส์ขนาดสั้นเช่นการติดตั้งของฉันด้วย สำหรับผู้ที่อยากรู้อยากเห็นมากขึ้น วิธีการสร้างพัลส์ femtosecond เรียกว่าการล็อกโหมดพาสซีฟ และตอนนี้เป็นคุณสมบัติเล็กๆ ของพัลส์ที่สั้นมาก มักเชื่อกันว่าเลเซอร์ฉายแสงที่ความยาวคลื่นเดียว และในโหมดต่อเนื่องเช่นเดียวกับพัลส์ยาว สิ่งนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นจริงด้วยซ้ำ ที่จริงแล้ว เนื่องจากกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนจำนวนหนึ่ง ซึ่งเราจะไม่กล่าวถึงในที่นี้อย่างแน่นอน รูปร่างทางเวลาของพัลส์และสเปกตรัมจึงสัมพันธ์กันโดยการแปลงฟูริเยร์ นั่นคือยิ่งพัลส์สั้นเท่าใด สเปกตรัมก็จะกว้างขึ้นเท่านั้น

สมมติว่าเราได้เปิดตัวออสซิลเลเตอร์หลัก แต่พลังงานของพัลส์นั้นมีอยู่หลายนิวตันจูล จำตอนเริ่มต้นได้ไหมว่าฉันบอกว่าพลังงานในชีพจรที่มาถึงเป้าหมายอยู่ที่ประมาณ 2 J? นี่จึงเป็นมากกว่าพันล้านเท่า ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องเสริมสร้างแรงกระตุ้นและเราจะพูดถึงรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้

โดยทั่วไปแล้วพัลส์สั้นจะมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังสูงสุดที่มีขนาดใหญ่มาก (จำได้ไหมว่าแบ่งพลังงานตามเวลา?) และสิ่งนี้ทำให้เกิดภาวะแทรกซ้อนหลายประการ หากคุณฉายรังสีไปยังตัวกลางที่มีความเข้มสูง (กำลังต่อหน่วยพื้นที่) มันจะเผาไหม้ แต่ถ้าตัวกลางที่ทำงานอยู่นั้นไหม้ ก็จะไม่มีอะไรถูกขยายออกไป นั่นเป็นเหตุผลที่เราเลือกอัตราการเกิดซ้ำที่ 10 Hz และขยายสัญญาณเท่านั้น เนื่องจากมีอุปกรณ์จำนวนมากและทั้งหมดทำงานที่ความถี่นี้พอดี เราจึงมีกล่องพิเศษที่กระจาย 10 Hz เหล่านี้ไปยังฮาร์ดแวร์ทั้งหมด และสำหรับแต่ละอุปกรณ์ คุณสามารถเลือกความล่าช้าในการรับสัญญาณด้วยความแม่นยำหลายพิโควินาที

มีสองวิธีในการจัดการกับความเข้มข้นสูง เนื่องจากคุณสามารถเดาได้ง่ายจากคำจำกัดความของมัน คุณจะต้องเพิ่มพื้นที่หรือลดกำลังลง อย่างแรกทุกอย่างชัดเจนมาก แต่วิธีที่สองเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเลเซอร์ในศตวรรษที่ยี่สิบ หากแรงกระตุ้นนั้นสั้นมากในช่วงแรก ก็สามารถยืด เสริมกำลัง และบีบอัดอีกครั้งได้

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำเช่นนี้ มาดูพื้นฐานของเลนส์กันดีกว่า สำหรับ ความยาวที่แตกต่างกันคลื่น ดัชนีการหักเหของแสงในตัวกลางจะแตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่า (ตามคำจำกัดความของดัชนีการหักเหของแสง) เมื่อดัชนีการหักเหของแสงเพิ่มขึ้น ความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางจะลดลง ดังนั้นเราจึงส่งพัลส์ของเราออกสู่สิ่งแวดล้อม และส่วนสีแดงของมันก็ผ่านวัสดุได้เร็วกว่าสีน้ำเงิน นั่นคือพัลส์จะยาวขึ้น และกำลังสูงสุดของมันลดลง ไชโย ตอนนี้ไม่มีอะไรติดไฟแล้ว! หากต้องการความรู้ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในด้านนี้ ฉันขอแนะนำ Google และอ่านเกี่ยวกับการขยายสัญญาณพัลส์แบบส่งเสียงร้อง (หรือที่เรียกว่า Chirped Pulse Amplification หรือ CPA)

สิ่งที่เราต้องทำคือเสริมแรงกระตุ้น บีบอัด โฟกัส และส่งมันไปทำรูในฟอยล์!

และตอนนี้มีภาพพร้อมคำบรรยายบางส่วน

จริงๆแล้วเป็นภาพถ่ายของห้องปฏิบัติการ ทรงกระบอกที่อยู่ตรงกลางคือห้องสุญญากาศ เนื่องจากโปรตอนบินอย่างมีหมัดมากในอากาศและชนเข้ากับโมเลกุลของอากาศอยู่ตลอดเวลา โดยทั่วไปแล้วทุกอย่างดูเย็นลงเมื่อมีสุญญากาศ สีน้ำเงินทางด้านขวามือคือกำแพงตะกั่ว เพื่อไม่ให้คุณได้รับพลังพิเศษและความเจ็บป่วยจากรังสีโดยไม่ได้ตั้งใจ เลเซอร์จะอยู่ด้านหลังประตูด้านซ้ายโดยมีป้ายอัชตุงสีเหลือง

และนี่คือกำแพงในโปรไฟล์ ใช่ มันมีตะกั่วอยู่ข้างใน เหมือนวินนี่เดอะพูห์

ฐานบัญชาการของเราตั้งอยู่ด้านหลังกำแพง เมื่อเรายิง เพื่อความปลอดภัยเราควรนั่งอยู่ด้านหลัง แน่นอนว่าเราจะไม่ตายจากรังสี แต่เราจะทำให้ตาบอดได้ง่าย มีจอภาพห้าจอสำหรับคอมพิวเตอร์สองเครื่อง มันง่ายมากที่จะสับสนกับขยะทั้งหมดนี้ คอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งมีลำโพง ดังนั้นในขณะที่ทำงานในคุกใต้ดิน คุณสามารถฟัง Loboda และ Big Russian Boss ได้ ด้วยเหตุผลอธิบายไม่ได้ เพื่อนร่วมงานของฉันก็ชอบพวกเขาเช่นกัน มีเพียงครึ่งเดียวเท่านั้นที่เป็นชาวสวีเดน

เรายังมีประตูบานเลื่อนตะกั่ว มันขับเคลื่อนด้วยระบบไฮดรอลิก

ที่นี่เราอยู่ในห้องที่มีเลเซอร์ นี่คือรูปถ่ายของตารางแรกที่สร้างพัลส์เลเซอร์ นี่คือการขยายเสียงล่วงหน้า (ประมาณ 1,000 ครั้ง) และขยายออก บนชั้นวางด้านบนมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญและจำเป็นจำนวนมาก โดยที่เลเซอร์จะไม่ทำงาน

นี่คือตารางที่สองที่มีการขยายรังสีหลังจากตารางแรก แอมพลิฟายเออร์นี้เป็นอุปกรณ์หลักของเรา - เพิ่มพลังงานได้สี่หมื่นเท่า ในความเป็นจริง มันมีแอมพลิฟายเออร์สองตัวที่มีการออกแบบที่แตกต่างกัน: มัลติพาสและรีเจนเนอเรชั่น ในตอนแรก ชีพจรจะผ่านตัวกลางที่ใช้งานอยู่หลายครั้ง ประการที่สองมีตัวสะท้อนเสียงของตัวเอง เมื่อใช้ประตูอิเล็กโทรออปติคัล (เซลล์ Pockels) ชีพจรจะถูกปล่อยเข้าไปภายใน และผ่านไปหลายครั้งจนกระทั่งเกนอิ่มตัว จากนั้นจึงปล่อยต่อไป นี่คือจุดที่ความเร็วและความแม่นยำของการเปิดและปิดบานประตูหน้าต่างเป็นสิ่งสำคัญมาก

นี่คือตารางที่ 3 มีกำไรประมาณ 15 เท่า หอคอยที่อยู่ตรงกลางซึ่งยื่นออกมาเหนือฝานั้นเป็นเครื่องแช่แข็ง ประกอบด้วยคริสตัลขนาดใหญ่ในสุญญากาศ ซึ่งระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลวจนถึงอุณหภูมิ -190 องศาเซลเซียส

นี่คือห้องแยกต่างหากที่มีแหล่งจ่ายไฟสำหรับสูบน้ำโต๊ะที่สามและปั๊มสุญญากาศหลัก ประสิทธิภาพจากทางออกของระบบค่อนข้างดีประมาณ 0.1% ฉันคำนวณได้ว่าพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไปอยู่ที่ประมาณ 160 กิโลวัตต์ นี่คือการ์ดแสดงผลประมาณ 960 ตัวที่สามารถขับเคลื่อนและของฉัน ของฉัน ของฉัน นั่นคือปริมาณการใช้ไฟฟ้าเมื่อขยายที่อัตราการทำซ้ำ 10 เฮิร์ตซ์ ถ้าเราพยายามเพิ่ม 80 MHz ปริมาณการใช้จะเพิ่มขึ้น 8 ล้านเท่า

ขอบคุณสำหรับความสนใจของคุณ!