Что такое ускоритель протонов
Настольный ускоритель протонов
Ускорители элементарных частиц — одни из самых громоздких физических приборов. Причина этого проста: даже самые сильные ускоряющие электрические поля в современных ускорителях составляют несколько мегавольт на метр. Если мы хотим разгонять по прямой частицы до энергий хотя бы в сотни МэВ, нам потребуется ускорительный участок длиной в добрую сотню метров. По этой причине такие ускорители делают циклическими: в них пучок циркулирует по кругу, а ускорительная секция на каждом обороте слегка подталкивает его вперед.
Между тем, ускорители имеют целый ряд технологических и даже медицинских применений. Для этих задач, конечно, очень желательно сделать ускорители более компактными, более дешевыми и мобильными; в идеале их хотелось бы сделать настольными установками. Однако добиться этого, используя традиционные методы ускорения, нереально. Поэтому физики уже давно разрабатывают совершенно новую, намного более эффективную схему ускорения частиц — за счет взаимодействия короткого и сверхинтенсивного лазерного импульса с веществом. Конкретных вариантов таких лазерных или лазерно-плазменных ускорителей придумано и реализовано уже много. Один из них — ускорение протонов слоем горячих электронов (target normal sheath acceleration, TNSA), метод, предложенный всего десяток лет назад, — мы разберем в этой задаче.
Рис. 1. Ускорение протонов слоем горячих электронов. Показаны последовательные этапы этого процесса: (a) поглощение сверхмощного лазерного импульса в фольге и образования облака горячих электронов, (b) попытка электронов вылететь из фольги и возникновение заряженного слоя, (c) ускорение протонов в возникшем электрическом поле. На фотографии показана реальная установка (фото с сайта www-atom.fysik.lth.se)
Последовательные этапы этого процесса показаны на рис. 1. На тонкую фольгу микронной толщины фокусируется ультракороткий и сверхмощный лазерный импульс. Длительность его не превышает пикосекунды, размер пятна в фокусе — около 10 микрон, зато пиковая интенсивность может достигать 10 22 Вт/см 2 (см. недавнюю статью Горизонты петаваттных лазерных комплексов в журнале УФН). Поглощаясь в поверхностном слое фольги, этот лазерный импульс резко нагревает электронный газ до температур в десятки миллиардов (!) градусов (по поводу того, как долго горячий электронный газ может сосуществовать с холодными ионами, см. нашу задачу Горячие электроны).
Облако горячих электронов пролетает фольгу насквозь и вылетает с противоположной стороны. Однако как только электроны начинают покидать фольгу, в ней, в тонком приповерхностном слое, возникает большой нескомпенсированный положительный заряд, который сдерживает дальнейший вылет электронов. В результате вблизи поверхности фольги возникает сильное перпендикулярное электрическое поле. Такая ситуация «держится» несколько пикосекунд, после чего начинается разрушение материала.
Однако еще до разрушения успевает сработать микроускоритель протонов. Ионы вещества чувствуют возникшее вблизи поверхности электрическое поле и начинают в нём разгоняться. Быстрее всего ускоряются самые легкие ионы — протоны; для этого на задней стороне фольги наносится очень тонкая пленка, богатая водородом, например водная пленка. Они-то и образуют узконаправленный пучок ускоренных протонов, который возникает на выходе из установки.
Задача
Исходя из этого описания, оцените по порядку величины, какие при этом достигаются ускоряющие электрические поля, до каких энергий будут ускоряться протоны и сколько при этом будет длиться процесс ускорения. Температуру горячего электронного газа примите равной 10 МэВ (то есть примерно 100 млрд градусов).
Подсказка
Плоский двойной заряженный слой (то есть фактически плоский конденсатор) создает электрическое поле между слоями заряда, но снаружи полем можно пренебречь. Поэтому ключевой шаг в решении — оценить величину разделенного заряда и толщину этого слоя d.
Эти величины можно найти из условия равновесия горячего электронного газа. Предположим, что некоторая часть электронов уже вылетела из металла. Возникшее электрическое поле тянет их назад. Температура позволяет «подняться» этим электронам против электрических сил, по аналогии с молекулами воздуха, которые поднимаются вверх на некоторую высоту против силы тяжести. Можно записать электрический аналог распределения Больцмана и найти, насколько далеко электроны с температурой T способны удалиться от поверхности фольги.
Далее надо учесть, что в самой фольге нескомпенсированный положительный заряд тоже простирается на некоторую глубину, которая того же порядка, что и d. Можно для оценок считать, что в этом слое металла отсутствуют все свободные электроны — горячие электроны «вытолкнули» их вглубь материала. Тогда все эти уравнения удастся связать друг с другом и найти искомые величины.
Решение
Взглянем вновь рис. 2b. Конечно, концентрация электронов (а точнее, концентрация их нехватки по сравнению с ионами решетки) меняется с глубиной плавно, но для оценок будем считать, что все свободные электроны «ушли» из приповерхностной области толщиной d. Тогда в этом слое имеется положительный заряд с поверхностной плотностью
.
Здесь n — концентрация свободных электронов в металле, а |e| — модуль заряда электрона. Такая же по модулю, но противоположная по знаку зарядовая плотность находится и в слое горячего электронного газа над поверхностью (этот слой называется «виртуальным катодом»). Получается своеобразный конденсатор с напряженностью электрического поля
.
Горячие электроны могут «подняться» против этого поля на расстояние, которое получается из формулы
,
где k — постоянная Больцмана. Связав все эти уравнения друг с другом, получим
.
Полученная толщина, на самом деле, широко известна в физике и называется дебаевской длиной, ее обычно обозначают λD (полученное выражение, впрочем, справедливо только для достаточно горячего газа электронов). Она характеризует то расстояние, на котором свободные электроны экранируют электрический заряд. Величина электрического поля получается равной
.
Подставив числа (например, для железа n порядка 10 28 м –3 ), получим дебаевскую длину порядка 0,2 микрона и электрическое поле напряженностью 3·10 13 B/м. Этот ускоряющий градиент (30 ТэВ на метр!) в миллионы раз сильнее, чем то, что сейчас доступно в традиционных ускорителях. Если бы нам удалось удерживать такой градиент на длине в полметра, протоны тогда разогнались бы до энергий Большого адронного коллайдера! К сожалению, этот градиент существует только в тонком слое толщиной d, что и ограничивает максимальную энергию протонов. В рамках наших очень приближенных оценок приобретенная протонами энергия составит примерно
,
то есть после всех вычислений мы возвращаемся к величине тепловой энергии электронов (10 МэВ в данной задаче). Протоны с кинетической энергией 10 МэВ движутся со скоростью примерно 1/7 скорости света. Ускорение на дистанции d от нуля до этой скорости займет примерно 10 фемтосекунд (то есть 0,01 пикосекунды).
Послесловие
Полученные оценки являются самой первой, даже, скорее, нулевой степенью приближения в этой задаче. Уже чуть более серьезные расчеты в рамках той же самой модели показывают, что облако горячих электронов простирается существенно дальше, чем на одну дебаевскую длину, см. рис. 2. Электрическое поле, конечно, ослабевает при удалении от поверхности, но довольно медленно. Поэтому ускорение получится более эффективным, и максимальная энергия будет в несколько раз превышать тепловую энергию горячего электронного газа.
Рис. 2. Более аккуратное решение задачи о плоском виртуальном катоде показывает, что электронное облако простирается далеко за пределы одной дебаевской длины. Красным и зеленым показаны плотность ионов и электронов, синим — напряженность электрического поля. Изображение из статьи: Marius Schollmeier. Proton energy scaling laws — Generation of above-100-MeV proton beams with Z-Petawatt? (PDF, 4,6 Мб)
В приведенных выше расчетах для простоты предполагалось, что из приповерхностного слоя фольги электроны проводимости ушли полностью. Это, скорее, верхний предел на возникшую плотность заряда, а значит, и на эффективность ускорения. Реалистичные расчеты (особенно с учетом того, что и ионы не остаются неподвижными) показывают, что эта плотность заряда будет заметно меньше. В результате этого толщина двойного заряженного слоя возрастает, поле — ослабевает, а время ускорения, соответственно, удлиняется. Тем не менее ускоряющее поле остается очень большим, порядка 1 теравольт на метр, а процесс ускорения длится порядка 1 пикосекунды. Максимальная достигнутая сейчас энергия протонов находится в районе 50 МэВ.
Цель физиков на этом пути — достичь энергий порядка 200 МэВ и при этом обеспечить узкое угловое и энергетическое распределение протонов. Тогда эти лазерные ускорители протонов станут революционным медицинским инструментом в терапии онкозаболеваний. Протонная терапия, конечно, существует уже давно, но благодаря новым ускорителям она станет на порядки компактнее, дешевле, а значит, и доступнее.
Ускорение протонов лазером из кусочка фольги
Здравствуйте, меня зовут Александр, и я физик. Со стороны это может прозвучать как приговор, но на самом деле так и есть. Вышло так, что я занимаюсь фундаментальными исследованиями в физике, а именно исследую ускоренные заряженные частицы: протоны и все те, которые побольше — положительные ионы, то есть. В исследованиях я не пользуюсь большими ускорителями вроде БАК, а стреляю по фольге лазером, а из фольги вылетает импульс протонов.
Теперь пару слов обо мне. Я закончил факультет фотоники и оптоинформатики ИТМО в Санкт-Петербурге, потом уехал в магистратуру в университет Аалто (это в Финляндии) по направлению микро- и нанотехнологий, а потом плюнул на все эти маленькие штучки, микроскопы, а в особенности на чистую комнату. И ушел я в фундаментальную науку с большими лазерами. Сейчас я тружусь в аспирантуре на юго-западе Швеции в городе Лунд в одноименном университете. Это примерно на расстоянии пушечного выстрела от Копенгагена.
Как ускорил, так и полетело
Сами по себе ускорители заряженных частиц идея не новая, но метод, которым я их разгоняю относительно свежий, примерно мой ровесник. Он позволяет существенно снизить размеры ускорителя и его стоимость, в том числе стоимость работы и обслуживания. Разницу между двумя типами можно оценить на картинке, которая ниже. 
Слева — электростатический линейный ускоритель (немного разобранный); Справа — мой маленький, но гордый делатель дырок в фольге
Давайте подробнее сравним эти два образца сумрачного физического гения. Посмотрите на левый ускоритель и на правый, потом снова на левый и снова на правый: да, мой на коне (шутка — прим. автора). На самом деле, мой занимает всего метр в диаметре, а сами протоны ускоряются из кусочка фольги. Ее держатель находится ровно посередине круга, на нем надета красивая медная юбочка. Это гораздо проще и компактнее левого образца, который размером с автобус и вдобавок заполнен удушающим газом. Итак, вдоволь самоутвердившись (в физике часто бывает, что чем меньше — тем лучше), можно обратиться и к физике процесса ускорения.
Поскольку мы ускоряем заряженные частицы, то делать это логичнее всего электрическим полем. Поле мы будем характеризовать напряженностью. Для тех, кто после школы ушел во фронт- и бэк-энд, напомню: напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы, действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда (грязный копипаст с Википедии). Имеет размерность В/м. Возвращаясь к сравнению, ускоритель слева разгоняет протоны до 4 МэВ (Мегаэлектронвольт), то есть 2.77*10 7 м/с или 9,2% от скорости света. Поскольку заряд протона — 1, а длина ускорителя метра два, то напряженность поля составит 2 МВ/м. Здесь мы предположили, что во всех местах поле направлено в одну сторону и, в общем, были очень близки к истине. Стильный ускоритель имеет поле напряженностью порядка нескольких ТВ/м, то есть примерно в миллион раз больше. Все-таки стоит признать, что его длина составляет всего несколько микрон.
Итак, к данному моменту мы выяснили, чье поле круче. Настало время обратиться к физическим и инженерным механизмам, которое это поле создают. В случае с обычным ускорителем есть два металлических листа, один из которых заряжен отрицательно, а второй никак. Вспомните школьный эксперимент про натирание эбонитовой палочки куском шерсти. Здесь принцип абсолютно тот же, но исполнение гораздо сложнее. Если ускорять протоны из фольги, то поле создается электронами, электроны вылетают из горячей плазмы, плазма получается и нагревается лазером, и обо всем этом оставшаяся часть поста.
Хотите, я его стукну, и он станет фиолетовым в крапинку?
Если стукнуть достаточно сильно, то можно увидеть много замечательных физических явлений. Именно так парни из Гарварда получили металлический водород, а потом потеряли его.
В моем случае, я стреляю по фольге лазером. Подробнее я его опишу после объяснения нетривиальной физики процессов получения теплой плотной материи, именно так по-научному называется плазма, являющаяся виновницей торжества ускорения моих протонов. А теперь обо всем по порядку.
На самом деле, импульс лазера в силу особенностей конструкции усилителя имеет предшествующий пьедестал длительностью примерно 500 пс, и этот самый пьедестал сильно помогает хорошо ускорить протоны.
Ионизирован — значит вооружен
Вспомним, что происходит со светом, когда он попадает в вещество. Энергия должна сохраниться, а значит есть всего три варианта событий: отражение, пропускание и поглощение. В суровой жизни присутствуют все перечисленные сразу. На самом раннем этапе нас интересует поглощение.
Итак, у нас есть пьедестал, который мы тоже отлично фокусируем на кусочек фольги, а он там отлично поглощается. Чтобы не вдаваться в сложности физики твердого тела, рассмотрим поглощение отдельно стоящего атома. Из квантовой механики мы знаем, что поглотить можно только фотон, энергия которого в точности равна энергии переход электрона из одного состояния в другое. Если энергия фотона больше, чем энергия ионизации (то есть отправки электрона из родительского гнезда в свободное путешествие), то избыток перейдет в кинетическую энергию электрона, тут все просто. В нашем случае фотоны с длиной волны 800 нм не обладают достаточной энергией (это энергия одного фотона, а не всего импульса!), чтобы ионизировать мишень, но здесь физика приходит нам на помощь. Помните, я упоминал большую интенсивность излучения? Если в довесок мы еще вспомним, что свет можно представить как поток фотонов, а интенсивность ему прямо пропорциональна, то получается, что поток фотонов ну очень большой. А если поток такой большой, то велика вероятность, что несколько фотонов прилетят в одно место и в одно время, а при поглощении их энергии сложатся, и ионизация все-таки случится. Это явление, как ни странно, называется многофотонной ионизацией, и мы регулярно им пользуемся.
На данный момент мы имеем, что электроны успешно оторваны, а значит, что основной импульс приезжает на уже готовую плазму и начинает ее греть.
Основы физики плазмы (не придумал шутку, ах)
Перед нагревом стоит немного рассказать про плазму как состояние материи. Плазма, она как газ, только электроны отдельно, а ядра отдельно. Мы будем считать нашу плазму практически идеальным газом, но состоящим из электронов.
откуда легко следует
где 
— постоянная Больцмана, 
— температура электронов, ну и 
— масса электрона. Да, здесь мы рассмотрели одномерный случай, но большего нам для описания наших процессов и не надо, на самом деле.
Теперь мы приложим к уже описанной плазме электрическое поле. Напомню, что состоит плазма из заряженных частиц, а значит при данной плотности на некотором расстоянии от того места, где мы приложили поле, электроны заслонят (экранируют) собой источник (такая толпа маленьких Матросовых — прим. автора). Расстояние, которое необходимо для этого называется Дебаевской длиной и задается уравнением
Здесь 
, очевидно, заряд электрона, а 
— диэлектрическая проницаемость вакуума, такая фундаментальная константа. Немного проанализируем эту формулу, чтобы увидеть за ней несложную физику процесса. Увеличивая плотность электронов, мы уменьшаем среднее расстояние между ними, в результате за меньшее расстояние мы соберем достаточно электронов, чтобы полностью экранировать наше поле. С другой стороны, чем больше температура, тем больше среднее расстояние между электронами.
Из-за эффекта экранирования и вполне определенной (от температуры) средней скорости движения электронов плазма реагирует на внезапно прилетевшее поле не мгновенно. Логично предположить, что время отклика связано с Дебаевской длиной и скоростью движения электронов. Хорошая аналогия — бросок камня в озеро. По сравнению с целым озером камень воздействует на поверхность воды точечно. Часть воды изменяется сразу (это там, где плюхнуло), а затем волны начинают распространяться по водной глади. В случае с плазмой внезапно появившееся электрическое поле — это камень. Размеры плюха обусловлены длиной экранирования (дальше него поле не действует), а распространение волн зависит от того, насколько близко электроны находятся друг к другу. Мы можем ввести такую характеристику как время отклика плазмы:
. По большому счету она показывает нам то время, за которое информация об изменении приложенного поля дойдет до тех электронов, которые этого поля как бы и не видели.
Поскольку мы физики, время мы не очень любим. Гораздо удобнее работать с частотами, поэтому мы введем понятие собственной частоты плазмы. Эта величина покажет нам, как часто мы можем менять поле, чтобы все скопление электронов, которое мы гордо называем плазмой, успевало на эти изменения отреагировать. Ну что может быть проще? Поделим единицу на время отклика, и вот она — частота:
Легко заметить, что от плотности электронов зависит собственная частота колебаний плазмы. Чем больше электронов, тем больше частота. Можно провести еще одну аналогию, но на этот раз с пружинным маятником. Большая плотность электронов говорит нам, что они ближе друг к другу, а значит и взаимодействуют сильнее. Положим, что их взаимодействие прямой пропорцией связано с упругостью пружины маятника. А чем больше упругость, тем выше частота колебаний.
Собственная частота плазмы также определяет ее показатель преломления. Если честно написать волновое уравнение коллективного движения электронов в плазме, а потом предположить небольшие изменения электронной плотности (делать этого мы здесь не будем, потому что это скучно), то задается показатель преломления так:
Здесь 
— круговая частота приложенного электрического поля. Она в рад/с а не в Гц!
Посмотрим внимательно на это выражение. Как физик-экспериментатор я души не чаю в действительных числах, а комплексные стараюсь игнорировать, особенно комплексный показатель преломления. Ну как может свет, в конце концов, распространяться в веществе в i раз медленнее, чем в вакууме? Это же бред какой-то! На самом деле нет, но об этом в другой раз. Если 
\omega_p$» data-tex=»inline»/>, то выражение имеет действительной значение, и переменное электрическое поле распространяется внутри нашей плазмы. Все довольны, а такую плазму мы будем величать недостаточно плотной. Однако если 
, то показатель преломления становится не то что комплексным, а целиком мнимым. В этом случае (и не просто потому что я так захотел) волна вообще не будет там распространяться, а сразу отразится без потерь. Это слишком плотная плазма. Очень классное явление, кстати. Называется плазменным зеркалом.
И в качестве десерта 
. Это плазма критической плотности. В этом случае она начинает входить в резонанс с вынуждающим (поданным нами) переменным электрическим полем. Для такого особого случая можно даже ввести понятие критической плотности и задать ее вот так:
Естественно, для каждой частоты вынуждающего поля критическая плотность своя.
ШОК! Нагрев плазмы! Для этого надо только.
В нашем случае мы остановимся только на одном механизме нагрева, который преобладает в эксперименте.
Для начала, пусть плазма, которую мы образовали пьедесталом будет иметь плавный градиент плотности, в этом случае мы имеем нагрев через резонансное поглощение. Иллюстрация этого на картинке дальше.
Иллюстрация процесса резонансного поглощения: а) распределение плотности электронов вблизи передней стороны мишени; б) преломление лазерного пучка в плазме с градиентом плотности; в) электрическое поле в плазме
Итак, лазер светит на нашу плазму под углом, ну пусть 45 градусов, и при этом он поляризован в плоскости падения. Поляризация обозначена красными стрелочками на рисунке. Наша плазма имеет градиент плотности, а значит ее показатель преломления непрерывно меняется (здесь — растет). В какой-то момент случится так, что некоторый слой плазмы для нашего лазера станет «поворотным» и он отразится, то есть некоторое время будет распространяться параллельно критическому слою. Важно отметить, что повернет он раньше того, как долетит до слоя с критической плотностью, поскольку запустили мы его под углом к нормали. Плотность плазмы, на которой лазерный пучок повернет, задается таким уравнением:
где 
— критическая плотность, а 
— угол падения света.
Теперь начинается самое интересное. Вспомним, что свет — это не только поток фотонов, но еще и электромагнитная волна, то есть у нашего импульса есть электрическое поле, которое гармонически колеблется с большой амплитудой. При распространении света параллельно критическому слою образуется стоячая волна, которая не изменяется с течением времени (естественно, пока лазерный импульс на месте). Поле этой волны, на самом деле, проникает дальше того слоя плазмы, где свет повернул, и дотягивается до критического слоя. Напомню, что частота колебаний плазмы в критическом слое такая же, как и частота лазерного излучения, а значит происходит резонанс. Когда лазер перестал светить, энергия, которую он сообщил электронам в критическом слое, распределяется через удары остальным электронам, а это и значит, что плазма нагрелась.
Так а где, собственно, ускорение?
Теперь, когда мы хорошо прогрели электроны в плазме, а лазер уже не светит, можно рассказать, как ускоряются протоны. Для этого посмотрим на картинки ниже. До этого момента я так и не говорил, откуда вообще берутся протоны. Естественно, они появляются не из ядер материала фольги. Поскольку мы не очень аккуратные и не носим перчатки (в них руки потеют сильно), то на поверхности фольги оказывается вода и углеводороды. Ионизированный водород и есть наш бесценный источник протонов. Проверено: если убрать загрязнения, то протонов не будет.
| Формирование плазмы пьедесталом, то есть ионизация передней стороны мишени. В качестве мишени обычно используют фольгу толщиной 0,4 — 12 мкм. |
| Здесь основная часть импульса взаимодействует с созданной плазмой и нагревает ее. Некоторые электроны настолько хорошо прогрелись, что вылетают с обратной стороны мишени. |
| Когда электронов повылетало достаточно много, оставшийся положительный заряд в фольге тянет их обратно. В плазме они снова нагреваются и вылетают. На некоторое время устанавливается динамическое равновесие. Электрическое поле направлено перпендикулярно мишени |
| Это самое электрическое поле отрывает протоны и другие ионы (в зависимости от того, что там было вообще) от задней поверхности мишени, а затем ускоряет их. К тому моменту, когда ионы ускорились, электронное облако уже разваливается, и все частицы начинают лететь дальше вместе. И тут мы начинает считать, что они и не взаимодействуют больше. |
Разделяй и властвуй
На данный момент позиция такая: лазер давно не светит, в фольге дырка, протоны с электронами дружно летят от мишени нормально к ее задней поверхности. Электроны нам совсем не нужны, поэтому тут нам приходит на помощь магнит. Когда пучок заряженных частиц пролетает через магнитное поле, силы Лоренца каждую частицу отклоняют пропорционально ее скорости и заряду. Соответственно, протоны и электроны отклонятся в разные стороны, и в сторону электронов мы просто смотреть не будем. Кстати, чем больше энергия протона (то есть его скорость), тем меньше он отклонится. Это значит, что, поставив экранчик, который к протонам чувствителен, мы сможем посмотреть энергии ускоренных протонов. Еще немного сравнений в цифрах: магнит, который стоит у нас постоянный и создает поле около 0,75 Тл; в аппаратах МРТ магнитное поле 1,5 — 3 Тл.
Кроме этого, мы можем посмотреть профиль пучка летящих протонов. Он круглый, кстати. А если мы сможем померить еще и энергию протонов в каждой части пучка, то сможем однозначно восстановить форму электронного облака, которое наши протоны ускорило.
Вместо заключения
Может возникнуть справедливый вопрос, зачем все это нужно. Мой любимый ответ — просто так. Это фундаментальная наука, и пытаться найти ей сиюминутные применения бессмысленно. Возможно, через сколько-то лет она найдет свое применение в лечении рака или термоядерном синтезе, а пока главная задача — узнать что-то новое о мире вокруг нас, просто так, потому что интересно.
Для особо любопытных про сам лазер и его устройство
Как и было обещано, здесь я расскажу про лазер, с помощью которого я и делаю науку. Я уже упоминал некоторые характеристики нашего лазера, но не говорил о частоте повторения импульсов. Она составляет примерно 80 МГц. Эта частота определятся только длиной резонатора и обратна времени, за которое свет успевает слетать по резонатору туда-обратно. Забегая вперед, скажу, что на такой частоте усиливать импульсы нецелесообразно, невероятно сложно с инженерной точки зрения, да и электричества не напасешься.
Особенно вдаваться в лазерную теорию я не буду. Основы того, откуда берется лазерное излучение отлично изложены в статье на Википедии про вынужденное излучение. Если постараться быть совсем кратким, то для лазерного излучения нужны три составляющие: активная среда (из нее как раз и вылетают фотоны), накачка (она поддерживает активную среду в состоянии, в котором больше возбужденных атомов, которые могут излучить), а также резонатор (он обеспечивает то, что фотоны копируют друг друга при многократных прохождениях через активную среду). Если составить все компоненты вместе и помолиться, то лазер начнет светить, но непрерывно. Если постараться еще, то можно заставить его генерировать импульсы, в том числе и такие короткие, как на моей установке. Для самых любознательных, метод генерации фемтосекундных импульсов называется пассивной синхронизацией мод. И теперь небольшая особенность ну очень коротких импульсов. Часто считают, что лазер светит на одной длине волны, и в непрерывном режиме, а также на длинных импульсах это можно даже назвать правдой. На самом деле, из-за ряда сложных физических процессов, которые здесь мы обсуждать уж точно не будем, временная форма импульса и его спектр связаны преобразованием Фурье. То есть чем импульс короче, тем шире его спектр.
Допустим, что мы запустили задающий генератор, но энергия его импульсов несколько нДж. Помните, в начале я говорил, что энергия в импульсе, который прилетает в мишень около 2 Дж? Так вот, это в миллиард раз больше. Значит, импульс надо усилить, и про это мы поговорим подробнее.
Короткие импульсы вообще характеризуются очень большими пиковыми мощностями (помните же, энергию поделить на время?), а у этого есть ряд осложнений. Если в среду посветить излучением с большой интенсивностью (мощность на единицу площади), то она сгорит, а если активная среда сгорела, то усилить уже ничего не получится. Именно поэтому мы выбираем частоту повторения 10 Гц и усиливаем только их. Поскольку оборудования много и все оно работает именно на такой частоте, у нас есть специальная коробка, которая всему железу эти 10 Гц раздает, и для каждого устройства можно выбрать задержку получения сигнала с точностью до нескольких пикосекунд.
Бороться с высокой интенсивностью можно двумя способами. Как несложно догадаться из ее определения, нужно либо увеличить площадь, либо уменьшить мощность. С первым все предельно ясно, а вот второй способ стал прорывом лазерной технологии в двадцатом века. Если импульс изначально очень короткий, его можно растянуть, усилить, а потом снова сжать.
Чтобы понять, как это сделать, обратимся к основам оптики. Для разных длин волн показатели преломления в среде разные, а это значит (по определению показателя преломления, кстати), что с ростом показателя преломления уменьшается скорость распространения света в среде. И вот мы запустили в среду наш импульс, и его красная часть прошла материал быстрее, чем синяя, то есть импульс стал длиннее, а его пиковая мощность упала. Ура, теперь ничего не горит! Для более глубоких познаний в этой области рекомендую погуглить и почитать про усиление чирпированных импульсов (оно же Chirped Pulse Amplification или CPA).
Все, что нам осталось сделать — это усилить импульс, сжать, сфокусировать и отправить его делать дырку в фольге!
А теперь немного картинок с подписями.
Собственно фоточка лаборатории. Цилиндрическая хрень посередине — вакуумная камера, потому что протоны очень паршиво летают в воздухе и все время стукаются о его молекулы. Ну и в целом, с вакуумом все смотрится круче. Синяя штука справа — свинцовая стенка, чтобы невзначай не получить суперспособностей и лучевой болезни. Сам лазер находится за дверью, которая слева с желтым знаком ахтунга
А вот и сама стена в профиль. Да, внутри она набита свинцом, как Винни-Пух.
За стенкой находится наш командный пункт, когда мы стреляем, то по технике безопасности положено сидеть за ней. От радиации мы, конечно, не умрем, но вот ослепнуть можно запросто. Здесь пять мониторов на два компа, запутаться во всем этом барахле очень легко. На одном из компов есть колоночки, поэтому во время работы в подземелье можно слушать Лободу и Большого Русского Босса, по необъяснимым причинам они нравятся и моим коллегам тоже. Только половина из них шведы, кстати.
У нас еще есть свинцовая дверь-купе. Она на гидравлическом приводе.
Вот мы и внутри комнаты с лазером. Это фотография первого стола, на котором рождается лазерный импульс. Здесь же он предусиливается (в 1000 раз примерно) и растягивается. На полочке сверху стоит куча очень важной и нужной электроники, без которой лазер работать не будет.
Это второй стол, в котором усиливается излучение после первого. Этот усилитель — наша главная рабочая лошадка — он повышает энергию в сорок тысяч раз. На самом деле, в нем стоит два разных по устройству усилителя: многопроходовый и регенеративный. В первом импульс просто несколько раз проходит через активную среду. Во втором есть свой собственный резонатор. С помощью электрооптических затворов (ячейки Покельса) импульс запускают внутрь, он проходит там несколько раз, пока не усиление не насытится, а потом его выпускают дальше. Именно здесь так важна скорость и точность открытия-закрытия затворов.
Это отдельная комната, в которой находятся источники питания накачки третьего стола и основные вакуумные насосы. КПД от розетки у системы так себе, примерно 0,1\%. Я как-то посчитал, что потребляемая электрическая мощность примерно 160 кВт. Это примерно 960 видеокарт можно запитать и майнить, майнить, майнить. Столько электричества потребляется при усилении на частоте повторения 10 Гц. Если бы мы пытались усилить 80 МГц, то потребление выросло бы в 8 миллионов раз.