Специалисты кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ разработали инновационный метод контроля энергии электронных пучков в лазерно-плазменных ускорителях. В своей работе они описали новую технологию, которая позволяет с высокой точностью регулировать энергию электронов в режиме реального времени. Это открытие может найти применение в медицине и промышленности.
Исследование было проведено при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-79-10087 на оборудовании, которое было закуплено в рамках национального проекта «Наука и университеты».
Лазерно-плазменные ускорители компактны благодаря использованию плазмы, выдерживающей огромные электрические поля. Сверхкороткий фемтосекундный лазерный импульс создает волну электронной плотности, разгоняя электроны до релятивистских скоростей. Это позволяет достигать мегаэлектронвольтных энергий в плазме длиной около сотни микрометров и гигаэлектронвольтных энергий в плазменном канале длиной несколько сантиметров, в отличие от традиционных ускорителей, занимающих огромные пространства.
«Это как серфинг электронов: лазер создает волну плазмы, а электроны ловят ее, разгоняясь до релятивистских скоростей», – делится студентка магистратуры физического факультета МГУ Екатерина Стародубцева.
Ученые разработали и исследовали способ управления длиной ускорения электронов в плазме с помощью дополнительного лазерного импульса, создающего ударную волну в газовой струе. Это позволяет резко прерывать процесс ускорения, сохраняя электронный импульс с малой угловой расходимостью и узким энергетическим спектром и избегая дефазировки.
«Наш метод впервые позволяет не просто ускорять электроны, а точно «настраивать» их энергию прямо в процессе эксперимента. Это открывает путь к созданию принципиально новых регулируемых источников частиц», – прокомментировал сотрудник кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ Иван Цымбалов.
Эксперименты на компактном тераваттном фемтосекундном лазерном комплексе в корпусе нелинейной оптики МГУ позволили впервые создать перестраиваемый электронный пучок с энергией 6-12 МэВ, узким спектром и малой угловой расходимостью. Численное моделирование объяснило ключевые эффекты. Работа выполнена с учеными НИЯУ МИФИ и ИПМ РАН. Новая технология перспективна для медицины (адаптивная лучевая терапия), рентгеновских источников и фемтосекундной дифракции.
«Разработанный нами метод управления электронным пучком может применяться не только для практических задач, использующих настольные лазерные системы, но и для фундаментальных исследований на петаваттных установках (например, установка PEARL ИПФ РАН) и установках класса мегасайенс (например, XCELS – Exawatt Center for Extreme Light Studies, планируемый к созданию в Национальном центре физики и математики в г. Сарове)», – отметил профессор кафедры общей физики и волновых процессов физфака МГУ Андрей Савельев-Трофимов.
Планируется масштабирование технологии для перестройки энергии пучка электронов в диапазоне 1-10 МэВ и улучшение качества пучка – хорошая коллимация и высокий заряд. Это важно для интеграции в промышленность и медицину.
Источник: msu.ru
распечатать статью