Лазерное ускорение ионов

Ла́зерное ускоре́ние ио́нов — процесс ускорения ионного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Обычно процесс ускорения производится при облучении твердотельной мишени, однако существуют схемы ускорения ионов и в газовых мишенях. Наиболее перспективными считаются схемы ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов и световым давлением. При помощи лазерного излучения были получены ионы с энергиями до 55 МэВ.

Ускорение приповерхностным слоем нагретых электронов

Впервые ионы, ускоренные лазерным излучением, наблюдались экспериментально в 1999 году на лазерной установке Nova в Ливерморской национальной лаборатории. При облучении твердотельной мишени лазерным импульсом интенсивностью 10²⁰ Вт/см² с обратной стороны мишени наблюдалась генерация энергичных ионов, имеющих квазитепловой разброс по энергиям с максимальной энергией около 55 МэВ.

Это явление было объяснено механизмом так называемого ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов. Его суть заключается в том, что лазерный импульс при взаимодействии с мишенью ионизирует её вещество с образование плазмы высокой плотности. При этом происходит разогрев электронов образовавшейся плазмы до релятивистских температур, сопровождающийся разлётом образовавшегося облака электронов далеко за пределы мишени. Разлёт приводит к появлению электростатического поля разделения зарядов, которое в свою очередь ускоряет ионы.

Для получения квазимоноэнергетических спектров ускоренных ионов было предложено использование композитных мишеней, представляющих собой тонкие фольги из тяжёлого металла (золота, платины и т. п.) с нанесённым на поверхность ультратонким слоем лёгких атомов — водорода или углерода. В процессе взаимодействия тяжёлые ионы остаются практически неподвижными, в то время как более лёгкие эффективно ускоряются, образуя пучок ионов приблизительно равной энергии.

Ускорение световым давлением

Альтернативной схемой ускорения является ускорение световым давлением. Её идея заключается в том, что при облучении сверхтонкой (порядка 10 нм) фольги, состоящей из лёгких элементов (например, водорода и/или углерода), световое давление, оказываемое сфокусированными лазерными импульсами мощностью более 10 ТВт, может оказаться достаточным для эффективного ускорения мишени как целого. Данный метод, предложенный в 2004 году, был реализован экспериментально только в 2009 году. В эксперименте, проведённом в Институте Макса Борна, использовался лазерный импульс мощностью 20 ТВт с высоким контрастом, облучавший углеродные плёнки, толщина которых варьировалась от 2,9 нм до 40 нм. Оптимальный результат получился для плёнки толщиной 5,3 нм: были зарегистрированы шестизарядные ионы углерода, имевшие энергию около 30 МэВ.

См. также

• Лазерное ускорение электронов

Литература

Научная

• G. Mourou, T. Tajima, S. V. Bulanov [rmp.aps.org/abstract/RMP/v78/i2/p309_1 Relativistic optics] (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2006. — Vol. 78. — P. 309—371.
• В. С. Беляев, В. П. Крайнов, В. С. Лисица, А. П. Матафонов [dx.doi.org/10.3367/UFNr.0178.200808b.0823 Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями] (рус.) // УФН. — 2009. — Т. 178. — С. 823.
• А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов, А. М. Сергеев [ufn.ru/ru/articles/2011/1/c/ Горизонты петаваттных лазерных комплексов] // УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 9—32.
• Hiroyuki Daido, Mamiko Nishiuchi and Alexander S. Pirozhkov [iopscience.iop.org/0034-4885/75/5/056401 Review of laser-driven ion sources and their applications] (англ.) // Rep. Prog. Phys.. — 2012. — Vol. 75. — P. 056401. — DOI:10.1088/0034-4885/75/5/056401.
• Andrea Macchi, Marco Borghesi, and Matteo Passoni [journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.85.751 Ion acceleration by superintense laser-plasma interaction] (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2013. — Vol. 85. — P. 751. — DOI:10.1103/RevModPhys.85.751. — arXiv:1302.1775.
• С. В. Буланов, Я. Я. Вилкенс, Т. Ж. Есиркепов, Г. Корн, Г. Крафт, С. Д. Крафт, М. Моллс, В. С. Хорошков [ufn.ru/ru/articles/2014/12/a/ Лазерное ускорение ионов для адронной терапии] (рус.) // УФН. — 2014. — Т. 184. — С. 1265. — DOI:10.3367/UFNr.0184.201412a.1265.
• В. Ю. Быченков, А. В. Брантов, Е. А. Говрас, В. Ф. Ковалёв [ufn.ru/ru/articles/2015/1/f/ Лазерное ускорение ионов: новые результаты, перспективы применения] (рус.) // УФН. — 2015. — Т. 185. — С. 77. — DOI:10.3367/UFNr.0185.201501f.0077.

Научно-популярная

• Л. М. Горбунов [vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/04_07/LASER.HTM Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы?] // Природа. — 2007. — № 4.
• В. Ю. Быченков [www.nkj.ru/archive/articles/18951/ Пятьдесят лет лазеру. Новый шаг — ускоритель на столе] // Наука и жизнь. — 2010. — № 12.
• В. Ю. Быченков [rlp.ilc.edu.ru/wp-content/uploads/2011/09/priroda_2_12.pdf Экстремальный свет ускоряет ионы] // Природа. — 2012. — № 2.

Отрывок, характеризующий Лазерное ускорение ионов

– Но вы точно видели и говорили с Наполеоном, как нам рассказывали? – сказала княжна Марья.
Пьер засмеялся.
– Ни разу, никогда. Всегда всем кажется, что быть в плену – значит быть в гостях у Наполеона. Я не только не видал его, но и не слыхал о нем. Я был гораздо в худшем обществе.
Ужин кончался, и Пьер, сначала отказывавшийся от рассказа о своем плене, понемногу вовлекся в этот рассказ.
– Но ведь правда, что вы остались, чтоб убить Наполеона? – спросила его Наташа, слегка улыбаясь. – Я тогда догадалась, когда мы вас встретили у Сухаревой башни; помните?
Пьер признался, что это была правда, и с этого вопроса, понемногу руководимый вопросами княжны Марьи и в особенности Наташи, вовлекся в подробный рассказ о своих похождениях.
Сначала он рассказывал с тем насмешливым, кротким взглядом, который он имел теперь на людей и в особенности на самого себя; но потом, когда он дошел до рассказа об ужасах и страданиях, которые он видел, он, сам того не замечая, увлекся и стал говорить с сдержанным волнением человека, в воспоминании переживающего сильные впечатления.
Княжна Марья с кроткой улыбкой смотрела то на Пьера, то на Наташу. Она во всем этом рассказе видела только Пьера и его доброту. Наташа, облокотившись на руку, с постоянно изменяющимся, вместе с рассказом, выражением лица, следила, ни на минуту не отрываясь, за Пьером, видимо, переживая с ним вместе то, что он рассказывал. Не только ее взгляд, но восклицания и короткие вопросы, которые она делала, показывали Пьеру, что из того, что он рассказывал, она понимала именно то, что он хотел передать. Видно было, что она понимала не только то, что он рассказывал, но и то, что он хотел бы и не мог выразить словами. Про эпизод свой с ребенком и женщиной, за защиту которых он был взят, Пьер рассказал таким образом:
– Это было ужасное зрелище, дети брошены, некоторые в огне… При мне вытащили ребенка… женщины, с которых стаскивали вещи, вырывали серьги…
Пьер покраснел и замялся.
– Тут приехал разъезд, и всех тех, которые не грабили, всех мужчин забрали. И меня.
– Вы, верно, не все рассказываете; вы, верно, сделали что нибудь… – сказала Наташа и помолчала, – хорошее.
Пьер продолжал рассказывать дальше. Когда он рассказывал про казнь, он хотел обойти страшные подробности; но Наташа требовала, чтобы он ничего не пропускал.
Пьер начал было рассказывать про Каратаева (он уже встал из за стола и ходил, Наташа следила за ним глазами) и остановился.
– Нет, вы не можете понять, чему я научился у этого безграмотного человека – дурачка.
– Нет, нет, говорите, – сказала Наташа. – Он где же?
– Его убили почти при мне. – И Пьер стал рассказывать последнее время их отступления, болезнь Каратаева (голос его дрожал беспрестанно) и его смерть.
Пьер рассказывал свои похождения так, как он никогда их еще не рассказывал никому, как он сам с собою никогда еще не вспоминал их. Он видел теперь как будто новое значение во всем том, что он пережил. Теперь, когда он рассказывал все это Наташе, он испытывал то редкое наслаждение, которое дают женщины, слушая мужчину, – не умные женщины, которые, слушая, стараются или запомнить, что им говорят, для того чтобы обогатить свой ум и при случае пересказать то же или приладить рассказываемое к своему и сообщить поскорее свои умные речи, выработанные в своем маленьком умственном хозяйстве; а то наслажденье, которое дают настоящие женщины, одаренные способностью выбирания и всасыванья в себя всего лучшего, что только есть в проявлениях мужчины. Наташа, сама не зная этого, была вся внимание: она не упускала ни слова, ни колебания голоса, ни взгляда, ни вздрагиванья мускула лица, ни жеста Пьера. Она на лету ловила еще не высказанное слово и прямо вносила в свое раскрытое сердце, угадывая тайный смысл всей душевной работы Пьера.
Княжна Марья понимала рассказ, сочувствовала ему, но она теперь видела другое, что поглощало все ее внимание; она видела возможность любви и счастия между Наташей и Пьером. И в первый раз пришедшая ей эта мысль наполняла ее душу радостию.
Было три часа ночи. Официанты с грустными и строгими лицами приходили переменять свечи, но никто не замечал их.
Пьер кончил свой рассказ. Наташа блестящими, оживленными глазами продолжала упорно и внимательно глядеть на Пьера, как будто желая понять еще то остальное, что он не высказал, может быть. Пьер в стыдливом и счастливом смущении изредка взглядывал на нее и придумывал, что бы сказать теперь, чтобы перевести разговор на другой предмет. Княжна Марья молчала. Никому в голову не приходило, что три часа ночи и что пора спать.
– Говорят: несчастия, страдания, – сказал Пьер. – Да ежели бы сейчас, сию минуту мне сказали: хочешь оставаться, чем ты был до плена, или сначала пережить все это? Ради бога, еще раз плен и лошадиное мясо. Мы думаем, как нас выкинет из привычной дорожки, что все пропало; а тут только начинается новое, хорошее. Пока есть жизнь, есть и счастье. Впереди много, много. Это я вам говорю, – сказал он, обращаясь к Наташе.
– Да, да, – сказала она, отвечая на совсем другое, – и я ничего бы не желала, как только пережить все сначала.
Пьер внимательно посмотрел на нее.
– Да, и больше ничего, – подтвердила Наташа.
– Неправда, неправда, – закричал Пьер. – Я не виноват, что я жив и хочу жить; и вы тоже.
Вдруг Наташа опустила голову на руки и заплакала.
– Что ты, Наташа? – сказала княжна Марья.
– Ничего, ничего. – Она улыбнулась сквозь слезы Пьеру. – Прощайте, пора спать.
Пьер встал и простился.

Княжна Марья и Наташа, как и всегда, сошлись в спальне. Они поговорили о том, что рассказывал Пьер. Княжна Марья не говорила своего мнения о Пьере. Наташа тоже не говорила о нем.
– Ну, прощай, Мари, – сказала Наташа. – Знаешь, я часто боюсь, что мы не говорим о нем (князе Андрее), как будто мы боимся унизить наше чувство, и забываем.
Княжна Марья тяжело вздохнула и этим вздохом признала справедливость слов Наташи; но словами она не согласилась с ней.
– Разве можно забыть? – сказала она.
– Мне так хорошо было нынче рассказать все; и тяжело, и больно, и хорошо. Очень хорошо, – сказала Наташа, – я уверена, что он точно любил его. От этого я рассказала ему… ничего, что я рассказала ему? – вдруг покраснев, спросила она.