Кубанский государственный технологический университет

Получены первые снимки кильватерных волн

24-02-2012
Изображение кильватерной волны, созданной 30-тераваттным лазерным импульсом в плазме плотностью 2,7 × 1018/см3 (рис. с сайта www.aps.org)

Физики из Техасского и Мичиганского университетов разработали и испытали аппаратуру, которая позволяет фотографировать сверхбыстрые кильватерные волны, распространяющиеся в разреженной плазме.

Кильватерные волны в плазме чаще всего возбуждают с помощью мощных импульсов лазерного излучения. Каждый такой импульс выталкивает электроны со своего пути и потому тянет за собой волну зарядовой плотности.

В сильно разреженной плазме скорость импульса почти не отличается от скорости света. Поскольку кильватерная волна распространяется вслед за импульсом без отставания, ее фазовая скорость совпадает с групповой скоростью самого импульса, то есть опять-таки приближается к световой. Фазовая скорость кильватерной волны в данном эксперименте составила 0,99997 скорости света.

Кильватерные плазменные волны давно интересуют ученых — и сами по себе, и как средство создания мощных электронных ускорителей сравнительно небольших размеров. Дело в том, что при прохождении таких волн в плазме возникают чрезвычайно сильные электрические поля, которые можно использовать для разгона электронов или иных заряженных частиц до релятивистских и ультрарелятивистских энергий на очень коротких дистанциях порядка всего лишь нескольких метров или даже сантиметров. Общая теоретическая концепция плазменного ускорения электронов с лазерным возбуждением кильватерных волн была опубликована Тоши Таджима и Джоном Доусоном еще в 1979 году, однако ее реализация на практике растянулась почти на два десятилетия. Впервые такой эксперимент в 1997 году осуществили французские физики, которым удалось получить плазменные поля с напряженностью 1,5 миллиарда В/м (вольт на метр) и увеличить энергию инжектированных в плазму электронов на 1,6 МэВ (мегаэлектронвольт, 106 электронвольт).

Эти эксперименты сильно стимулировали последующие исследования в области плазменного ускорения электронов (впрочем, и не только их: в 2002 году физики из Стэнфордского университета впервые в мире генерировали таким способом пучок ультрарелятивистских позитронов с энергией 80 МэВ; кильватерные волны используют и для ускорения ионов). К настоящему времени в плазме уже получены поля с напряженностью порядка 100 миллиардов В/м, и скорее всего это еще не предел. Однако для практического создания плазменных суперускорителей надо не только разрешить множество чисто технических проблем, но и накопить побольше конкретной информации о динамике самих кильватерных волн. Недавно заслуженный профессор физики Техасского университета в Остине Майкл Доунер (Michael Downer) и его коллеги сделали важный шаг в этом направлении, научившись получать мгновенные фотографии этих волн.

Суть их метода состоит в следующем. Вдогонку за драйверным 30-тераваттным лазерным импульсом с максимумом на длине волны 800 нанометров сразу же посылаются еще два диагностических импульса меньшей мощности. Они распространяются в поле кильватерной волны драйверного импульса и в силу этого меняют свою форму. Затем эти импульсы «смешиваются» в спектрометре, рождая интерференционную голограмму, несущую информацию о структуре кильватерного волнового фронта. Анализируя такие голограммы, ученые впервые смогли получить изображения кильватерных плазменных волн. Эти изображения, а также принципиальную схему эксперимента можно посмотреть здесь (Pdf, 66 Кб). Статья с изложением этих результатов (N. Matlis et al. Snapshots of Laser Wakefields) появится в  ноябре в журнале Nature Physics.

Источник: N. H. Matlis, S. Reed, S. S. Bulanov, V. Chvykov, G. Kalintchenko, T. Matsuoka, P. Rousseau, V. Yanovsky, A. Maksimchuk, S. Kalmykov, G. Shvets, M. C. Downer. Snapshots of laser wakefields (иллюстрации к статье можно посмотреть здесь) // Nature Physics. doi: 10.1038/nphys442.

Алексей Левин

См. также: Плазменные ускорители преодолели рубеж в 1 ГэВ, «Элементы», 29.09.2006.

‹‹