CC BY
32
ЛАЗЕРНОЕ УСКОРЕНИЕ ПУЧКОВ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ В ВАКУУМЕ
Д.Б. Блашке, А.В. Прозоркевич, А.В. Филатов, Д.С. Шкирманов
Изучается возможность дополнительного ускорения релятивистских пучков тяжелых ионов на выходе обычных ускорителей с помощью жестко сфокусированных ультракоротких лазерных импульсов. Применительно к условиям действующего ускорителя Нук-лотрон (ОИЯИ) показано, что возможны режимы захвата тяжелых ионов с монотонным набором энергии при интенсивностях лазерного поля порядка 1025 Вт/см2, которые могут быть достигнуты в ближайшие годы. Используется простая модель классического точечного заряда, движущегося в поле гауссовой формы, которая приводит к многопараметрической нелинейной системе дифференциальных уравнений. Зависимость приращения энергии ионов от некоторых управляющих параметров, таких как начальная скорость ионов или длительность лазерного импульса, является существенно немонотонной, поэтому поиск оптимального режима ускорения является нетривиальной задачей. Схема со скрещенными лазерными лучами оказывается более эффективной, чем однолучевая схема, но требует определенной фазировки лучей, которую непросто обеспечить при такой интенсивности излучения. Кроме того, заметное влияние могут оказать такие нелинейные эффекты, как вакуумное рождение пар или поляризация вакуума.
Библиографический список
1. Shimoda K. Proposal for an electron accelerator using an optical maser // Appl. Opt. 1962. Vol. 1. P. 33.
2. Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. Vol. 24. P. 156; 1970. Vol. 25. P. 1321.
3. Tajima T. and Dawson J.M. Laser electron accelerator // Phys. Rev. Lett. 1979. Vol. 43. P. 267.
4. Malka V. et al. Electron acceleration by a wake field forced by an intense ultrashort laser pulse // Science Vol. 298. 2002. P. 1596.
5. Patel ^Accelerator physics: the plasma revolution//Nature. 2007. Vol. 449. P. 133.
6. Roth M. et al. Fast ignition by intense laser-accelerated proton beams // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 86. P. 436.
7. Bychenkov V.Yu., Rozmus W., Maksimchuk A., Umstadter D., and Capjack C.E. Fast ignitor concept with light ions // Plasma Phys. Rep. 2001. Vol. 27. P. 1017.
8. Atzeni S., Temporal M., and Honrubia J.J. A first analysis of fast ignition of precompressed ICF fuel by laser-accelerated protons // Nucl. Fusion. 2002. Vol. 42. P. L1.
9. Maksimchuk A. et al. TH-C-230A-06: high-energy proton acceleration driven by ultra-intense ultra-clean laser pulses // Med. Phys. 2006. Vol. 33. P. 2272.
10. Borghesi M., CampbellD.H., Schiavi A., Haines M.G., Willi O. Electric field detection in laser-plasma interaction experiments via the proton imaging technique // Phys. Plasmas. 2002. Vol. 9. P. 2214.
11. Mourou G., Tajima T., Bulanov S.V Optics in the relativistic regime // Rev. Mod. Phys. 2006. Vol. 78. P. 309.
12. Ren J., Cheng W., Li S. and Suckewer S. A new method for generating ultraintense and ultrashort laser pulses // Nature Physics. 2007. Vol. 3. P. 732.
13. Blumenfeld I. et al. Physicists pitch biggest accelerator // Nature. 2007. Vol. 445. P. 741.
14. http://nucloserv.jinr.ru/index.htm.
15. BlaschkeD.B., Prozorkevich A.V., Smolyansky S.A., ShkirmanovD.S., Chubaryan M. Laser acceleration of ion beams // GSI Report 2007-03, ILIAS, Ion and Laser Beam Interaction and Application Studies / Eds P. Mulser and T. Schlegel. P. 34.
16. Бахари А., Таранухин В.Д. Лазерное ускорение электронов в вакууме до энергий ~ 109 эВ // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. С. 129.
17. Ringwald A. Pair production from vacuum at the focus of an X-ray free electron laser // Phys. Lett. B. 2001. Vol. 510. P. 107.
18. Roberts C.D., Schmid S.Mt., and Vinnik D.V. Quantum effects with an Х-ray free-electron laser // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 89. P. 153901.
19. Blaschke D.B, Prozorkevich A.V., Roberts C.D., Schmidt S.M., and Smolyansky S.A. Pair production and optical lasers // Phys. Rev. Lett. 2006. Vol. 96. P. 140402.
20. Salamin Y.I., Hu S.X., Hatsagortsyan K.Z., and Keitel C.H. Relativistic high-power laser-matter interactions // Phys. Rep. 2006. Vol. 427. P. 41.
21. Scully M.O. and Zubairy M.S. Simple laser accelerator: Optics and particle dynamics // Phys. Rev. A. 1991. Vol. 44. P. 2656.
22. http://www.gsi.de/forschung/phelix/
23. http://www.clf.rl.ac.uk / Facilities/ AstraWeb/ AstraGeminiHome.htm
24. Haaland C.M.Laser electron acceleration in vacuum // Opt. Comm. 1995. Vol. 114. P. 280.
25. Esarey E., Sprangle R., Krall J. Laser acceleration of electrons in vacuum // Phys. Rev. E. 1995. Vol. 52. P. 5443.
26. Huang Y.C., ZhengD., Tulloch W.M., andByerR.L. Proposed structure for a crossed-laser beam, GeV per meter gradient, vacuum electron linear accelerator // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68. P. 753.
27. Salamin Y.I., Keitel C.H. Subcycle high electron acceleration by crossed laser beams // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 77. P. 1082.
28. Salamin Y.I., Mocken G.R., Keitel C.H. Relativistic electron dynamics in intense crossed laser beams: Acceleration and Compton harmonics // Phys. Rev. E. 2003. Vol. 67. P. 016501.
29. Aiello A. and Woerdman H. The reflection of a Maxwell-Gaussian beam by a planar surface // arxiv:0710.1643.
30. Faure J., Rechatin C., Norlin A., Lifschitz A., Glinec Y. and Malka V. Controlled injection and acceleration of electrons in plasma wakefields by colliding laser pulses // Nature. 2006. Vol. 444. P. 737.
31. Blaschke D.B., Prozorkevich A.V., Smolyansky S.A. and Tarakanov A.V. Observable manifestation of an electron-positron plasma created by the field of an optical laser // Journal of Physics: Conference Series. 2006. Vol. 35. P. 121.
32. Blaschke D.B., Filatov A.V., Egorova I.A., Prozorkevich A.V., Smolyansky S.A. Observable effects caused by vacuum pair creation in the field of high-power optical lasers // Proceedings of SPIE, 2007, Vol. 6537, Saratov Fall Meeting 2006: Laser Physics and Photonics, Spectroscopy and Molecular Modeling VII / Editors V.L. Derbov, L.A. Melnikov, L.M. Babkov. P. 653708.
LASER ACCELERATION OF HEAVY ION BEAMS IN VACUUM
D.B. Blaschke, A.V. Prozorkevich, A.V. Filatov, D.S. Shkirmanov
The possibility of heavy ion additional acceleration in laser beams is investigated. The main observation is the existence of a big variety of acceleration modes due to many fitting parameters even for only one Gaussian beam and for crossed ones even more so. An essentially non-monotonic dependence of energy gain on relevant variables such as initial velocity or pulse duration is found which makes the search for the most effective acceleration modus very complex. There is a threshold level for the intensity 1025 W/cm2) when the ion moves in the capture mode in one direction. The crossed beam scheme is at least three times more effective than one beam scheme within the considered range of parameters. However, such a scheme works only for certain phasing of the beams which is difficult to provide at such field intensity. Moreover, the other nonlinear effects as pair creation and vacuum polarization can also be active.
