Новости науки 28.11.01. "Настольная" физика высоких энергий.
Создание мощных пико- и фемтосекундных лазеров положило начало
новой области исследований, связанной с изучением взаимодействия
очень интенсивных лазерных импульсов с веществом. В результате воздействия
сверхмощных лазерных импульсов на твердотельные мишени оказывается
возможным получать достаточно узконаправленные пучки релятивистских
частиц (с энергиями, достигающими нескольких десятков МэВ) в "настольном"
эксперименте - без использования громоздких ускорителей.
В настоящее время в мире имеется множество тераваттных лазеров
и уже созданы первые петаваттные лазеры (приставка пета- означает
1015). При фокусировке луча лазера в пятно микронных
размеров плотность мощности падающего на мишень излучения может
превышать 1020 Вт/см2, что приводит к мгновенному
испарению части мишени. Под действием лазерного импульса образуется
релятивистская электронная плазма, температура которой составляет
сотни тысяч и миллионы эВ. Помимо высокоэнергетичных электронов,
вследствие их взаимодействия с мишенью в экспериментах генерируются
гамма-кванты и потоки протонов или легких ионов.
При прохождении электронов с достаточно высокой энергией (порядка
10 МэВ и выше) через неповрежденную часть мишени (состоящей из вещества
с большим атомным номером Z) генерируется тормозное излучение -
электроны теряют энергию, испуская высокоэнергетичные фотоны, спектр
которых ограничен сверху начальной энергией электрона. Полученные
таким способом гамма-кванты в состоянии вызывать фотоядерные реакции,
в частности, деление 238U (см., например, [1]). При использовании
более мощных лазеров, когда плотность мощности в пятне превысит
1021 Вт/см2, станет возможной генерация гамма-квантов
с энергией, превышающей пороговую энергию фоторождения пи-мезона
на нуклоне, поэтому нельзя исключить вероятности того, что со временем
будут созданы "настольные мезонные фабрики".
Рис.1. Энергетический спектр протонов, полученных при действии
мощного лазерного импульса (плотность мощности - 3 x 1020
Вт/см2) на полимерную мишень.
Кулоновское взаимодействие электрона с ядром с малым Z слабее,
чем при большом Z, и в мишенях с малым Z (обычно - полимерные пленки)
при той же начальной энергии электроны теряют ее преимущественно
не на тормозное излучение, а на ионизацию атомов. Сильное электрическое
поле (пропорциональное электронной температуре), возникающее между
областями с преобладанием электронов и ионов, "выбрасывает" ионы
из твердого тела; таким образом удается получать пучки высокоэнергичных
протонов и легких ионов. В экспериментах с петаваттными лазерами
были получены пучки протонов с энергией до 58 МэВ (см. рисунок из
работы [2]).
Физика плазмы, ядерная физика, астрофизика, материаловедение, медицина
- вот неполный перечень областей, "заинтересованных" в исследовании
взаимодействия сверхмощных лазерных импульсов с веществом и создании
"настольных" приборов. В настоящее время уже встает задача оптимизации
параметров будущих устройств, в частности, оптимизации конструкции
твердотельной мишени. Этому вопросу посвящена недавняя работа польских
и российских ученых [3], изучавших характеристики потоков протонов,
получаемых при использовании мишеней разных типов. Ученые показали,
что удается генерировать протоны с максимальной энергией при использовании
двухслойной мишени, когда за тонким слоем вещества с достаточно
большим атомным номером Z (Al, Cu, Au), подвергающегося непосредственному
воздействию лазерного импульса, следует достаточно толстый слой
вещества с малым Z (полистрол - (C8H8)n),
где и генерируется пучок высокоэнергетичных протонов. Использование
тонкого металлического слоя обеспечивает более высокую начальную
температуру электронной плазмы, которая затем "инжектируется" в
слой с высоким содержанием водорода. Исследователи определили также
оптимальные толщины слоев, позволяющие максимизировать энергию протонов.
- 1. T.E.Cowan, A.W.Hunt, T.W.Phillips et al., Phys.Rev.Lett.
v.84, 903 (2000).
- 2. R.A.Snavely, M.H.Key, S.P.Hatchett et al., Phys.Rev.Lett.
v.85, 2945 (2000).
- 3. J.Badzyak, E.Woryna, P.Parys et al., Phys.Rev.Lett. v.87,
215001 (2001).
|