Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Октябрь 2006   →
 1
 2
02.10.2006
08:40:24
16:20:40
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
13.10.2006
12:57:40
17:56:36
14
15
16
17
18
18.10.2006
17:43:11
20:08:22
19
20
21
22
23
23.10.2006
15:26:53
15:39:33
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Плазменные ускорители преодолели рубеж в 1 ГэВ


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Плазменные ускорители преодолели рубеж в 1 ГэВ

29.09.2006

Высококачественные электронные сгустки с энергией 1 ГэВ, полученные в недавних экспериментах группы LOASIS (изображение с сайта www.lbl.gov)
Высококачественные электронные сгустки с энергией 1 ГэВ, полученные в недавних экспериментах группы LOASIS (изображение с сайта www.lbl.gov)

Физики из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) в сотрудничестве с английскими коллегами из Оксфордского университета существенно повысили эффективность лазерно-плазменного ускорения электронов. Эти исследования приближают создание нового поколения мощных и в то же время компактных электронных дускорителей высоких энергий, разгоняющих эти частицы не в глубоком вакууме, а в плазме. Результаты эксперимента будут опубликованы в октябрьском выпуске Nature Physics.

Как известно, мощные ускорители электронов отличаются более чем солидными размерами. Например, знаменитый своими открытиями линейный коллайдер (SLC, SLAC Linear Collider) Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC, Stanford Linear Acceleration Center), который доводит энергию электронов до 50 ГэВ (гигаэлектронвольт, 109 электронвольт), имеет в длину 3200 метров. И это отнюдь не случайно. Размеры радиочастотных вакуумных ускорителей зависят от предела напряженности ускоряющего электрического поля, который не превышает 100 миллионов В/м (вольт на метр) из-за возможности пробоя (рабочий показатель SLC куда меньше — 20 миллионов В/м).

По этой причине вот уже пару десятков лет ученые обсуждают возможность ускорения электронов не в пустом пространстве, а в плазме. В этом случае электроны увеличивают скорость, двигаясь «на гребне» быстро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн (англ. wakefield). Плазменный разгон в кильватерных волнах в принципе позволяет на три-четыре порядка увеличить напряженность электрического поля и при этом не создает опасности пробоя.

Капиллярный волновод наполнен водородом. Электрический разряд между электродами на концах волновода нагревает газ, превращая его в плазму. Лазер ускоряет электронный пучок , который направляется электромагнитами и контролируется с помощью фосфорного экран
Капиллярный волновод наполнен водородом. Электрический разряд между электродами на концах волновода нагревает газ, превращая его в плазму. Лазер ускоряет электронный пучок , который направляется электромагнитами и контролируется с помощью фосфорного экран

Кильватерные волны в плазме возбуждаются с помощью импульсов лазерного излучения. Такие импульсы буквально выталкивает электроны со своего пути и тем самым вызывают возмущения их плотности. В результате лазерный импульс как бы тащит за собой волну зарядовой плотности, которая поэтому и называется кильватерной. Поскольку эта волна распространяется вслед за импульсом без отставания, ее фазовая скорость совпадает с групповой скоростью самого импульса. Если плазма достаточно разрежена, скорость импульса очень мало отличается от скорости света. Фазовая скорость кильватерной волны достигает таких же значений, что и позволяет разгонять электроны до релятивистских и даже ультрарелятивистских энергий.

Возможности лазерного ускорения электронов в кильватерных плазменных волнах изучают во многих лабораториях мира. В этих экспериментах сгустки ускоряемых электронов инжектируются в плазму (сами электроны при этом могут быть предварительно разогнаны в обычном радиочастотном ускорителе), которая одновременно «обрабатывается» лазерными импульсами. Эту технологию обычно обозначают английской аббревиатурой LWFA (Laser Wakefield Acceleration — ускорители с лазерным кильватерным полем).

Достигнутые к настоящему времени результаты этих исследований можно оценить так: хорошо, но надо бы куда лучше. В плазме уже удалось создать динамические поля с рекордно высокой напряженностью порядка 100 миллиардов В/м, однако они не отличаются стабильностью. Возможно, главная трудность состоит в том, что для достижения ультрарелятивистских энергий электронов необходимо поддерживать высокую интенсивность лазерного импульса на большой длине его пути в плазме, скажем, порядка метра. Один из оптимальных путей к решению этой задачи состоит в создании плазменных каналов, по которым лазерные импульсы могли бы распространяться, как по волноводам. Для получения таких каналов существуют различные способы, которые сейчас интенсивно изучаются.

Группа LOASIS. Справа на переднем плане — Вим Лиманс (с надписью Wim на халате). Фото с сайта www.lbl.gov
Группа LOASIS. Справа на переднем плане — Вим Лиманс (с надписью Wim на халате). Фото с сайта www.lbl.gov

Исследователи из Беркли во главе с Вимом Лимансом (Wim Leemans) называют свою группу LOASIS (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies — Объединенные исследования лазерной оптики и ускорительных систем). Вот уже несколько лет LOASIS разрабатывает метод ускорения электронов внутри каналов в водородной плазме, которые предварительно создаются с помощью пары сфокусированных лазерных лучей. Первый луч проходит через разреженный водород и «просверливает» стержень будущего канала. Затем туда направляют второй луч, который дополнительно нагревает плазму и окончательно формирует канал. После этого через него пропускается ведущий лазерный импульс, который и создает кильватерную волну. Таким способом можно добиться значительного ускорения электронов, не прибегая к применению особо мощных лазеров, что, конечно,! упрощает задачу.

Осенью 2004 года группа Лиманса сообщила о разгоне электронов в плазменном волноводе до энергии 200 МэВ (мегаэлектронвольт, 106 электронвольт) с помощью лазерных импульсов с пиковой мощностью всего 9 ТВт (тераватт, 1012 ватт). Это была прекрасная демонстрация перспективности их метода, поскольку другие группы получали сходные результаты с помощью 30-тераваттных лазеров.

Ведущий лазерный луч проходит через плазму внутри сапфирового капиллярного волновода (фото с сайта www.lbl.gov)
Ведущий лазерный луч проходит через плазму внутри сапфирового капиллярного волновода (фото с сайта www.lbl.gov)

Дальнейшему прогрессу помог случай. Лиманс познакомился с оксфордским физиком Саймоном Хукером (Simon Hooker), который давно занимался проблемами канализации плазмы. Группа Хукера разработала метод изготовления сапфировых блоков, пронизанных очень тонкими капиллярами. В такой капилляр можно было закачать водород и превратить его в ионизированную плазму с помощью разряда электрического конденсатора. Плотность плазмы в центре капилляра была очень небольшой и повышалась вблизи его стенок. Драйверные лазерные импульсы могли проходить через сильно разреженную плазму центральной зоны практически без потери скорости, что и требовалось для экспериментов по кильватерному ускорению электронов. К тому же сапфировые капилляры способствовали стабилизации этих импульсов, что приводило к увеличению длины трека, на котором происходило ускорение электронов.

В экспериментах 2004 года группа Лиманса добилась разгона электронов на пути протяженностью всего лишь в 2 миллиметра, в то время как внутри сапфировых капилляров электроны стабильно ускорялись на сантиметровых дистанциях.

Группы Лиманса и Хукера решили объединить усилия и приступили к совместным экспериментам, причем теперь уже они использовали для генерации кильватерных волн 40-тераваттный лазер. С его помощью они разогнали электроны в капиллярах длиной 33 миллиметра до энергии чуть больше 1 ГэВ. Не менее важно и то, что им удалось получить почти монохроматические электронные сгустки, внутри которых разброс частиц по энергиям не превышал 2,5%. Результаты этого эксперимента означают, что надежды на появление плазменных электронных ускорителей высоких энергий обрели куда более твердую почву.

Иногда приходится читать, что технология лазерно-плазменного ускорения со временем позволит разгонять электроны до ультрарелятивистских энергий чуть ли не на настольных установках. Такого, скорее всего, никогда не произойдет, однако вполне возможно, что ускорители куда более мощные, нежели SLC, будут помещаться в зданиях вполне обычных размеров. Согласимся, что и это неплохо.

Источники:
1) From Zero to a Billion Electron Volts in 3.3 Centimeters (Highest Energies Yet From Laser Wakefield Acceleration) // Пресс-релиз Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, 25.09.2006.
2) W. P. Leemans et al. GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator // Nature Physics, doi:10.1038/nphys418. Advance online publication 24 September 2006.

См. также:
Чандрашекар Джоши. Плазменные ускорители // «В мире науки» №5, 2006.

Алексей Левин

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

28.09 Юные австралопитеки были добычей хищных птиц

Южноафриканский антрополог Ли Бергер, переисследовав найденный в 1924 году череп знаменитого «ребенка из Таунгса», пришел к выводу, что юный австралопитек стал жертвой крупной хищной птицы. Об этом свидетельствуют характерные повреждения глазниц. Ранее считалось, что убийцей «Таунгс-бэби» был крупный хищник из семейства кошачьих.

27.09 Водородные связи можно изучать с помощью силы трения

Между двумя твердыми поверхностями может образовываться сеть из водородных связей, которая живет по своим особым законам. Измеряя зависимость силы трения от скорости, можно изучать плавление и рекристаллизацию этой сети.

27.09 Одна из «стандартных свеч» астрономов оказалась в два раза ярче

Считается, что критическая масса и мощность взрыва любой сверхновой типа Ia примерно одинаковы, а значит, неизменна и их яркость. Отыскав в далекой галактике сверхновую типа Ia и сравнив наблюдаемую яркость вспышки с расчетной, астрофизики определяют расстояние до галактики. Однако относящаяся к этому типу сверхновая SNLS-03D3bb, открытая в 2003 году, оказалась в два раза ярче «общепринятой» нормы.

26.09 Гренландия всё быстрее теряет свой лед

Ежегодно около 250 миллиардов тонн гренландского льда превращается в воду, которая стекает в Атлантический океан. Оценить масштаб этого явления позволили регулярные наблюдения за массой ледового покрова острова, проводимые с 2002 года при помощи двух искусственных спутников, расстояние между которыми меняется в зависимости от аномалий гравитации.

26.09 «Дочка Люси» ходила как человек, а лазила по деревьям и думала как обезьяна

Изучение самого древнего и самого полного скелета детеныша австралопитека, обнаруженного в декабре 2000 года в Восточной Эфиопии, подтвердило, что афарские австралопитеки были двуногими существами с почти человеческой нижней частью тела, сохранившими много обезьяньих черт в строении рук и черепа.

25.09 Плавление атомных ядер происходит в два этапа?

Применение голографической дуальности между теорией сильных взаимодействий и теорией гравитации привело к поразительному открытию: плавление атомных ядер может происходить в два этапа.

25.09 Анализ митохондриальной ДНК подтвердил древнее происхождение и долгую изоляцию коренных австралийцев

Анализ митохондриальной ДНК австралийских аборигенов подтвердил, что Австралия была заселена уже не менее 40 тысяч лет назад. Но в последующие эпохи австралийцы были отрезаны от остального человечества. Никаких свидетельств позднейших миграций из соседних регионов в Австралию или в обратном направлении исследователи не обнаружили.

22.09 Вселенная открылась для школьников

В России стартовала британско-российская образовательная программа «Привлечение молодежи в науку: Телескопы Фолкеса». 24 школьных коллектива в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Екатеринбурге и Самаре получили бесплатный дистанционный доступ к телескопам Фолкеса, чтобы вести наблюдения за Вселенной.

22.09 Зачем студенту зеленый шарик Вольвокса?

Колониальная зеленая водоросль вольвокс — хрестоматийный объект, на примере которого студентам и школьникам объясняют, каким образом из одноклеточных организмов получились многоклеточные. Профессор МГУ Н. А. Заренков оспаривает правомочность такой интерпретации этого необычного организма.
В избранное