СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННО НАПРАВЛЕННОГО ЛАЗЕРНОГО УСКОРЕНИЯ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ С НЕОДНОРОДНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2024 года по МПК H05H11/00 

Область техники

Изобретение относится к области получения пучков заряженных частиц, в частности, к способам одновременного ускорения и управления направленностью коллимированного пучка высокоэнергетичных электронов и, точнее, к способам пространственно направленного ускорения частиц сверхкороткими лазерными импульсами высокой интенсивности в плазме с неоднородным распределением концентрации электронов.

Уровень техники

Известны различные способы получения коллимированного электронного пучка с высокой энергией частиц, в частности, при прохождении лазерного излучения фемтосекундной длительности с высокой пиковой интенсивностью через плазму, сопровождающимся образованием плазменного канала в результате самофокусировки излучения и/или пондеромоторного действия лазерного импульса. Компактные размеры и высокая эффективность лазерных источников пучков заряженных частиц определяют перспективы их использования в медицинской физике, ядерной физике, генерации терагерцового излучения и других приложениях как фундаментального, так и прикладного характера.

Из уровня техники известен способ ускорения в плазменном канале за счёт электромагнитных полей лазерного излучения (так называемое «прямое лазерное ускорение» (Direct Laser Acceleration)), раскрытый, например, в публикации A.E. Hussein и др. «Towards the optimisation of direct laser acceleration» // New Journal of Physics (2021) 23 023031. Известен также способ ускорения в плазменном канале продольными полями плазменной волны («кильватерное ускорение» (Wakefield Acceleration)) на заднем фронте лазерного импульса, раскрытый, например, в публикации T. Tajima и др. «Wakefield acceleration» // Reviews of Modern Plasma Physics (2020) 4:7.

Указанные источники в разной степени раскрывают физический принцип формирования плазменного канала и механизма ускорения пучка электронов в нём, но не формулируют подходов к управлению направленностью электронного пучка. Интенсивность лазерного излучения с пиковой мощностью выше 0.1 тераватт достигается при фокусировке в условиях вакуума (менее 0.1 торр) значения выше 10¹⁷ Вт/см². Прохождение такого лазерного излучения в области перетяжки через оптически прозрачную плазму (с концентрацией электронов менее критической величины, которая для длины волны 800 нм равна ~1.7x10²¹ см^-3 или более с учётом релятивистских эффектов) сопровождается фазовой самомодуляцией, самофокусировкой за счёт вытеснения электронов от оси лазерного импульса пондеромоторным действием света, образованием плазменного канала и захватом фоновых электронов с последующим ускорением до средней энергии от 1 МэВ и более на масштабе длины около 0.05-10 мм. Коллимация электронного пучка составляет 0.1 рад и менее, а заряд достигает единиц нКл.

В ряде задач помимо высокой энергии и заряда пучка необходима возможность управления направленностью движения частиц после ускорения. Обычно для этого используется магнитная оптика и дефлекторы.

Известна система корректировки траекторий потока заряженных частиц в магнитном поле по патенту РФ №2643507, включающая электрически связанные между собой генератор высоковольтных импульсов, линии, обеспечивающие создание магнитного поля на пути потока частиц, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов к линии, обеспечивающей формирование магнитного поля на пути потока частиц, отличающаяся тем, что линии, обеспечивающие создание магнитного поля на пути потока частиц, образуют токовую петлю с волновым сопротивлением ρ, средство передачи высоковольтного импульса от генератора высоковольтных импульсов выполнено в виде передающих линий, каждая из которых имеет волновое сопротивление ρ, равное волновому сопротивлению токовой петли, а генератор высоковольтных импульсов построен на формирующих линиях с общим волновым сопротивлением ρ/2 и образован соединенными с внешним статическим источником питания n формирующими линиями, причем волновое сопротивление каждой формирующей линии равно nρ/2, при этом формирующие линии электрически связаны с управляемым разрядником, соединенным с передающими линиями и далее с токовой петлей.

Указанная система обладает высокой инерционностью и не позволяет быстро изменять угол отклонения электронного пучка. Спектральная селективность магнитных систем снижает полезный заряд пучка и может снизить степень коллимации.

Известна полезная модель по патенту РФ №156716, раскрывающая пироэлектрический дефлектор пучка заряженных частиц, содержащий модуль с кронштейном-теплопроводом, два пироэлектрических кристалла, элемент Пельтье, отличающийся тем, что устройство состоит из двух модулей, расположенных друг напротив друга на расстоянии, определяемом поперечным размером управляемого пучка, каждый из модулей содержит один пироэлектрический кристалл, соединенный с элементом Пельтье, дополнительно встроенным теплопроводом, выполненным в виде пластины. С применением данной полезной модели экспериментально показана возможность отклонения пучка электронов с энергией 7 МэВ на угол 26 мрад (V.I. Alekseev et al. “Pyroelectric deflector of relativistic electron beam” // Chinese Journal of Physics 2022, 77, p.2298 ).

Недостатком данного решения является малый угол отклонения, медленность отклика отклоняющего поля на изменение параметров системы, необходимость глубокого вакуума для недопущения пробоя между пироэлектрическими кристаллами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ отклонения оси распространения пучка электронов от первоначального направления оптическими методами при ускорении электронного пучка продольными плазменными полями в искривленном плазменном канале. Для этого плазма создается электрическим разрядом в наполненном газом капилляре, изготовленном внутри твердого тела путём выфрезерования, по которому проходит ускоряющий мощный фемтосекундный лазерный импульс (X. Zhu и др. «Experimental Demonstration of Laser Guiding and Wakefield Acceleration in a Curved Plasma Channel» // PHYSICAL REVIEW LETTERS 130. 215001, 2023).

Недостатком данного технического решения является постоянство угла отклонения электронного пучка от первоначальной оси, которая определяется фрезеровкой капилляра. Помимо этого, капилляр подвержен постепенной деградации из-за оптического пробоя его стенок лазерным излучением. Также работа с газовыми мишенями на высокой частоте повторения импульсов создаёт высокую нагрузку на вакуумную систему откачки газа.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих приведенным выше аналогам и прототипу, за счёт создания способа одновременного ускорения и быстрого контролируемого управления в значительных угловых пределах направленностью электронного пучка, получаемого на лазерном ускорителе непосредственно на этапе набора частицами энергии в плазме.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат изобретения заключается в получении коллимированного пучка электронов с высокой энергией и зарядом с контролируемой направленностью и достигаемый в схеме импульсного лазерного ускорения пучка в плазме с поперечным градиентом концентрации электронов относительно оси распространения ускоряющего лазерного импульса.

Заявленный технический результат достигается в результате реализации способа пространственно направленного лазерного ускорения пучка заряженных частиц с расходимостью менее 0.1 рад и средней энергией частиц более 1 МэВ в плазме с неоднородной концентрацией электронов, который включает следующие действия:

- направление сфокусированного ускоряющего лазерного импульса фемтосекундной длительности с мощностью более 0.1 тераватт через плазму, при этом концентрация электронов в плазме для центральной длины волны ускоряющего импульса ниже критической и обладает поперечным градиентом, определяющим градиент показателя преломления плазмы, относительно оси направления фемтосекундного импульса,

- формирование вдоль оптической оси лазерного импульса плазменного канала с длиной, превышающей длину перетяжки сфокусированного фемтосекундного импульса, в результате самофокусировки фемтосекундного импульса и/или пондеромоторного действия света по мере распространения лазерного излучения сквозь плазму,

- набор энергии частицами в схеме импульсного лазерно-плазменного ускорения на длине плазменного канала в поле поперечных электромагнитных волн ускоряющего лазерного импульса или в продольных электрических полях плазменной волны, формируемой ускоряющим лазерным импульсом,

- искривление плазменного канала, вызванное отклонением оси распространения фемтосекундного лазерного импульса относительно начального направления за счёт преломления света в присутствии поперечного градиента концентрации электронов в плазме,

- изменение направления пучка ускоряемых электронов в соответствии с искривлением плазменного канала и оси распространения ускоряющего фемтосекундного импульса с сохранением средней энергии частиц в пучке и расходимости пучка, при этом угол отклонения пучка частиц от первоначальной оси определяется градиентом концентрации электронов в плазме.

Плазма обладает цилиндрически симметричным распределением концентрации электронов, при этом градиент направлен поперёк оси распространения ускоряющего фемтосекундного импульса. Параллельное смещение первоначальной оси распространения ускоряющего фемтосекундного импульса относительно оси симметрии плазмы обеспечивает прохождение импульса через плазму с поперечным градиентом концентрации и искривление плазменного канала и изменение направления пучка ускоряемых частиц. В плазме с цилиндрически симметричным распределением концентрации электронов параллельное смещение может быть осуществлено в любом радиальном направлении, что приводит к отклонению пучка частиц также в любом направлении при сохранении средней энергии частиц в пучке и расходимости пучка. Плазму с цилиндрически симметричным распределением концентрации предварительно формируют при ионизации, абляции и пробое тонкой твердотельной фольги греющим лазерным импульсом длительностью в 0.1-10 наносекунд, сфокусированном на поверхность фольги.

Искривление плазменного канала зависит от параллельного смещения первоначальной оси ускоряющего фемтосекундного лазерного импульса относительно оси симметрии плазмы, при этом распространение импульса через среду с радиальной зависимостью показателя преломления сопровождается его отклонением на угол, определяемый градиентом концентрации частиц в плазме в поперечном направлении и длиной плазмы вдоль направления распространения импульса, при этом плазменный канал также искривляется, что приводит к отклонению ускоряемого электронного пучка на угол, сравнимый с углом отклонения лазерного пучка и достигающий десятка градусов, при сохранении параметров электронного пучка (средней энергии и расходимости) по сравнению со случаем распространения ускоряющего импульса вдоль оси симметрии плазмы (в отсутствие отклонения). Радиальная симметрия распределения концентрации электронов в плазме позволяет отклонять электронный пучок в любом радиальном направлении, определяемом направлением поперечного параллельного смещения первоначальной оси распространения ускоряющего фемтосекундного импульса относительно оси симметрии плазмы.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется следующими изображениями, где

на фиг. 1 а) показана схема воздействия на мишень из фольги 1 греющего импульса 2, приводящее к ионизации, абляции и пробою пленки;

на фиг. 1 б) показан сформированный цилиндрический симметричный пробой 3 спустя определенный промежуток времени после воздействия греющего импульса 2, за которое плотность частиц в области пробоя снизилась за счёт разлёта вещества изначально плотной фольги 1;

на фиг. 2 а) показано прохождение фокусирующегося фемтосекундного импульса 4, ускоряющего электронный пучок 5 в плазме при распространении импульса вдоль оси пробоя;

на фиг. 2 б) показано прохождение и отклонение фокусирующегося фемтосекундного импульса 4, ускоряющего электронный пучок 5 в плазме при распространении импульса с параллельным смещением относительно оси пробоя;

на фиг. 3 а) показана схема воздействия импульсов на мишень и расположение сцинтилляционного детектора для электронного пучка;

на фиг. 3 б) показано изображение плазменного канала в оптическом свете, полученное с помощью камеры 6, при распространении ускоряющего импульса вдоль оси пробоя. Сплошные линии обозначают положение мишени. Белая стрелка указывает направление падающего лазерного излучения на мишень;

на фиг. 3 в) показан зарегистрированный электронный пучок на сцинтилляционном детекторе, где кружок указывает на направление, совпадающее с направлением распространения исходного приходящего в плазму лазерного импульса;

на фиг. 3 г) показано изображение плазменного канала в оптическом свете, полученное с помощью камеры 6, с отклонением от исходной оси при распространении ускоряющего импульса с параллельным смещением относительно оси пробоя на 10 мкм. Сплошные линии обозначают положение мишени. Белая стрелка указывает направление падающего лазерного излучения на мишень;

на фиг. 3 д) показан зарегистрированный смещенный электронный пучок на сцинтилляционном детекторе, где указанное отклонение на детекторе соответствует углу вылета пучка в 10 градусов по отношению с исходной оси распространении ускоряющего импульса.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - мишень из фольги,

2 - греющий лазерный импульс

3 - пробой в мишени

4 - ускоряющий лазерный импульс

5 - электронный пучок

6 - камера для регистрации свечения плазменного канала в оптическом диапазоне

7 - позиционно-чувствительный сцинтилляционный детектор электронов

Осуществление изобретения

Изобретение реализуют следующим образом.

Мишень 1 в виде фольги толщиной в несколько десятков микрометров помещают вблизи перетяжки грающего лазерного импульса 2. В качестве фольги может быть использована пластиковая (или лавсановая) плёнка или другая тонкая мишень твердотельной плотности, размещенная в условиях вакуума с остаточным давлением газа ниже 1 торр. Обеспечивают воздействие на мишень греющего лазерного импульса. В качестве греющего лазерного импульса может быть использовано излучения ИК или видимого диапазона длительностью 0.1-10 нс с пиковой интенсивностью в перетяжке, достаточной для плазмообразования на поверхности плёнки (свыше 10¹⁰ Вт/см²). Энерговклад в плазму должен быть достаточным для формирования сквозного радиально симметричного пробоя 3 в пленке. Динамика плазмы и развитие пробоя на временах порядка единиц наносекунд после пика греющего импульса приводят к формированию поперечного градиента концентрации - понижению концентрации частиц в плазме на оси пробоя по сравнению с периферийными областями. Динамика разлёта плазмы может быть установлена экспериментально, например, методами интерферометрической диагностики или численно, например, путём гидродинамического моделирования разлёта лазерной плазмы.

Далее через плазму пропускают мощный ускоряющий лазерный импульс фемтосекундной длительности 4 мощностью выше 0.1 тераватт, фокусирующийся до пиковой интенсивности выше 10¹⁷ Вт/см². При этом изначальное положение плоскости фольги находится в пределах длины перетяжки фемтосекундного импульса, а распространение импульса происходит соосно с осью симметрии плазмы в пробое фольги. Распространение импульса через плазму сопровождается самофокусировкой и/или пондеромоторным действием света, приводящим к формированию плазменного канала с длиной, сравнимой с продольным размером плазмы. В канале происходит набор энергии электронами по методу прямого лазерного ускорения или кильватерного ускорения до средней энергии порядка 1 МэВ и более в виде коллимированного пучка 5 с расходимостью около 0.1 рад.

Параллельное смещение первоначальной оси распространения ускоряющего импульса относительно оси симметрии плазмы в области пробоя фольги на величину в пределах диаметра пробоя приводит к отклонению лазерного излучения в силу наличия радиальной зависимости показателя преломления плазмы в пробое. Показатель преломления плазмы, в свою очередь определяется распределением концентрации электронов в плазме. Угол отклонения θ по мере распространения лазерного излучения вдоль оси пробоя z связан с зависимостью вдоль радиальной оси r показателя преломления среды n как . При этом максимальное преломление достигается в области, где наиболее высок градиент показателя преломления в радиальном направлении. Преломление и отклонение лазерного импульса 4 приводит также и к искривлению плазменного канала. Пучок ускоряемых электронов 5 также отклоняется от изначальной оси на угол, сопоставимый с углом отклонения ускоряющего импульса, который достигает десятка градусов, при сохранении параметров электронного пучка (средней энергии и расходимости), идентичных случаю распространения ускоряющего импульса вдоль оси симметрии плазмы. При этом параллельное смещение ускоряющего фемтосекундного импульса относительно оси симметрии плазмы может быть осуществлено в любую сторону, что в силу радиальной симметрии концентрации электронов в плазме позволяет управлять углом вылета электронного пучка θ в любом радиальном направлении.

Смещение оси ускоряющего импульса относительно оси симметрии плазмы в пробое осуществляется при небольшом повороте оптомеханического держателя зеркала оптического тракта греющего или ускоряющего импульса. При этом применение автоматизации и управления с помощью пьезоактуаторов или моторов другого типа (шаговых или постоянного тока) обеспечивает смещение до десятков микрометров за время менее 10 мс. Точность смещения может быть лучше 0.1 мкм, что определяет точность угла отклонения пучка лучше 0.1 градуса. Таким образом угол направления вылета электронного пучка может быть контролирован с высокой точностью в каждом ускоряющем лазерном импульсе при частотной генерации электронного пучка (до 1 кГц).

Пример конкретного выполнения

С целью подтверждения эффективности заявляемого изобретения проведена опытная реализация заявляемого способа в схеме, показанной на фиг. 3а. Греющее лазерное излучения с длительностью импульса 8 нс по полувысоте интенсивности на длине волны 1064 нм и энергией в импульсе 100 мДж фокусируется в условиях вакуума (остаточное давление 0.1 торр) в пятно диаметром 13 мкм по полувысоте интенсивности до пиковой интенсивности около 10¹³ Вт/см² на поверхность лавсановой плёнки толщиной 16 мкм под углом близким к нормали. Лавсановая пленка представляет собой ленту шириной 10 мм, намотанную на катушку и перематываемую на приемную катушку. Постоянство положения плоскости пленки в плоскости перетяжки грающего импульса поддерживается при прохождении ленты около двух стоек, положение которых зафиксировано. При воздействии греющего импульса за счёт высокой интенсивности происходит нагрев и ионизация вещества плёнки, формируется плазма с высокой температурой. Разлет плазмы и абляция из области воздействия приводят к образованию пробоя в пленке. Спустя 2 нс после воздействия пика греющего импульса на оси пробоя, диаметр которого составляет около 50 мкм, остаточная плотность вещества находится на уровне тысячных долей от изначальной плотности, согласно расчётной модели. В силу осевой симметрии воздействия концентрация в области пробоя имеет цилиндрически симметричное распределение, при удалении в радиальном направлении от оси пробоя концентрация возрастает. В этот момент по направлению, параллельному оси пробоя пленки, в разреженную плазму попадает лазерный импульс с пиковой мощностью 1 тераватт при длительности 50 фс и энергии 50 мДж на центральной длине волны 800 нм, фокусирующийся в область пробоя до пиковой интенсивности свыше 10¹⁸ Вт/см². Прохождение лазерного импульса через плазму сопровождается нелинейным оптическим самовоздействием и образованием плазменного канала из-за пондеромоторного действия света. Изображение свечения канала в оптическом диапазоне регистрируется камерой. На фиг. 3б показан канал при распространении фемтосекундного импульса вдоль оси пробоя плёнки. Длина светящейся области канала составляет около 150 мкм. Совокупное воздействие на частицы полей канала и импульса приводит к формированию и ускорению пучка электронов, суммарный заряд в котором для частиц с энергией более 1 МэВ составляет около 100 пКл, а расходимость на выходе из ускоряющей стадии не превышает 0.1 рад. Электронный пучок регистрируется на сцинтилляционном экране, расположенном на пути пучка частиц, фиг. 3в. Параллельный сдвиг оси лазерного импульса относительно оси пробоя плёнки на величину в 5 мкм приводит к прохождению излучения через область с градиентом показателя преломления (вследствие градиента концентрации частиц) в радиальном направлении, влекущее отклонение лазерного импульса от первоначального направления распространения. Плазменный канал также испытывает отклонение, фиг. 3г, угол составляет примерно 6 градусов от исходной оси. На сцинтилляционном экране след от пучка электронов также смещается на расстояние, соответствующее углу отклонения также в 6 градусов, фиг. 3д. При этом яркость свечения сцинтилляционного экрана и поперечный размер пучка не изменяются в значительной степени относительно фиг. 3б, где электронный пучок получен при соосном прохождении лазерного импульса через пробой пленки. Таким образом в каждом лазерном импульсе ускоряемый пучок электронов может быть выведен под заданным углом. При этом в силу осевой симметрии пробоя пленки отклонение пучка частиц может быть осуществлено как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Скорость сдвига оси импульса относительно оси пробоя определяется применяемыми оптомеханическими компонентами. В данном примере смещение на 5 мкм происходит за время менее 5 мс с точностью лучше 0.5 мкм, что соответствует точности контроля угла вылета лучше 0.5 градуса. Следовательно, при частоте повторения лазерных импульсов, а также и электронных пучков выше 100 Гц направление вылета пучка заряженных частиц может быть контролируемо для каждого электронного сгустка.

Изобретение относится к способу пространственно направленного ускорения частиц сверхкороткими лазерными импульсами высокой интенсивности в плазме с неоднородным распределением концентрации электронов. Способ включает направление сфокусированного ускоряющего лазерного импульса фемтосекундной длительности с мощностью более 0.1 тераватт через плазму, формирование вдоль оптической оси лазерного импульса плазменного канала и набор энергии частицами на длине плазменного канала. Причем обеспечивается искривление плазменного канала, вызванное отклонением оси распространения ускоряющего импульса относительно начального направления, за счёт преломления света в присутствии поперечного градиента концентрации электронов в плазме, а также изменение направления пучка ускоряемых электронов в соответствии с искривлением плазменного канала и оси распространения ускоряющего импульса с сохранением средней энергии частиц в пучке и расходимости пучка. Техническим результатом является возможность получения коллимированного пучка электронов с расходимостью менее 0.1 рад и средней энергией частиц более 1 МэВ посредством импульсного лазерного ускорения пучка в плазме с поперечным градиентом концентрации электронов относительно оси распространения ускоряющего лазерного импульса. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ пространственно направленного лазерного ускорения пучка заряженных частиц с расходимостью менее 0.1 рад и средней энергией частиц более 1 МэВ в плазме с неоднородной концентрацией электронов, включающий

- направление сфокусированного ускоряющего лазерного импульса фемтосекундной длительности с мощностью более 0.1 тераватт через плазму, при этом концентрация электронов в плазме для центральной длины волны ускоряющего импульса ниже критической и обладает поперечным градиентом, определяющим градиент показателя преломления плазмы, относительно оси направления фемтосекундного импульса,

- формирование вдоль оптической оси лазерного импульса плазменного канала с длиной, превышающей длину перетяжки сфокусированного фемтосекундного импульса, в результате самофокусировки фемтосекундного импульса и/или пондеромоторного действия света по мере распространения лазерного излучения сквозь плазму,

- набор энергии частицами в схеме импульсного лазерно-плазменного ускорения на длине плазменного канала в поле поперечных электромагнитных волн ускоряющего лазерного импульса или в продольных электрических полях плазменной волны, формируемой ускоряющим лазерным импульсом,

- искривление плазменного канала, вызванное отклонением оси распространения фемтосекундного лазерного импульса относительно начального направления за счёт преломления света в присутствии поперечного градиента концентрации электронов в плазме,

- изменение направления пучка ускоряемых электронов в соответствии с искривлением плазменного канала и оси распространения ускоряющего фемтосекундного импульса с сохранением средней энергии частиц в пучке и расходимости пучка, при этом угол отклонения пучка частиц от первоначальной оси определяется градиентом концентрации электронов в плазме.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазма обладает цилиндрически симметричным распределением концентрации электронов, при этом градиент направлен поперёк оси распространения ускоряющего фемтосекундного импульса.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что параллельное смещение первоначальной оси распространения ускоряющего фемтосекундного импульса относительно оси симметрии плазмы обеспечивает прохождение импульса через плазму с поперечным градиентом концентрации, и искривление плазменного канала, и изменение направления пучка ускоряемых частиц.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в плазме с цилиндрически симметричным распределением концентрации электронов параллельное смещение осуществляют в любом радиальном направлении, что приводит к отклонению пучка частиц также в любом направлении при сохранении средней энергии частиц в пучке и расходимости пучка.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что плазму с цилиндрически симметричным распределением концентрации предварительно формируют при ионизации, абляции и пробое тонкой твердотельной фольги греющим лазерным импульсом длительностью в 0.1-10 наносекунд, сфокусированном на поверхность фольги.