Японская исследовательская группа впервые продемонстрировала ускорение ионов в кильватерном поле, протоны ускорены до 60 МэВ

Университет Кюсю, Национальный институт квантовых наук и технологий и Университет Осаки недавно совместно объявили, что исследовательская группа с помощью высокоинтенсивного лазерного облучения пенной мишени впервые экспериментально продемонстрировала механизм “кильватерного ускорения ионов”, что обеспечило новую экспериментальную основу для исследований лазерных ускорителей ионов следующего поколения. Результаты были опубликованы 3 августа по японскому времени в журнале Communications Physics.

Как сообщается, исследование направлено на воспроизведение в лабораторных условиях физических процессов ускорения высокоэнергетических частиц, аналогичных происходящим в космосе. Традиционные высокоэнергетические ускорители обычно требуют длинных ускорительных трубок или крупных кольцевых установок, в то время как сильные электрические поля, создаваемые плазменными волнами, считаются перспективными для миниатюризации ускорителей. Однако по сравнению с электронами, протоны и ионы имеют большую массу, что затрудняет их захват и эффективное ускорение быстро распространяющимся плазменным кильватерным полем, и это долгое время оставалось важной проблемой в данной области.

Исследовательская группа использовала высокоинтенсивную лазерную установку J-KAREN-P в Институте Кансай Национального института квантовых наук и технологий, направив лазерное излучение на губчатую пенную мишень толщиной 100 микрометров. Регулируя плотность пенной мишени, исследователи снизили фазовую скорость плазменной волны, распространяющейся вместе с лазером, что позволило почти неподвижным протонам захватываться сильным электрическим полем, формирующимся на фронте лазерного импульса, и ускоряться вместе с плазменной волной. В ходе эксперимента протоны были ускорены до максимальной энергии 60 МэВ.

Этот процесс ускорения получил название “ускорение в дуговом кильватерном поле”. Когда лазер проходит через плазму более высокой плотности, электроны накапливаются перед лазерным фронтом, создавая локальное сильное поле разделения зарядов; протоны, захваченные этим полем, непрерывно получают энергию в кильватерном поле, распространяющемся вместе с лазером. Исследовательская группа полагает, что этот механизм имеет сходство с возможными процессами ускорения космических лучей, а также предоставляет средства для лабораторного изучения условий ускорения частиц в космосе.

На следующем этапе исследовательская группа планирует разработать двухступенчатую схему ускорения: сначала предварительное ускорение ионов первым лазерным импульсом, затем их инжекция в кильватерное поле, создаваемое вторым лазерным импульсом, для дальнейшего ускорения. Цели исследования включают проверку принципа продолжения ускорения ионов с энергией в несколько десятков МэВ до сотен МэВ, а также проведение экспериментов с лазерами более высокой интенсивности с использованием румынской установки ELI-NP и французской установки Apollon для изучения возможности получения релятивистских ионов с энергией на уровне ГэВ. В будущем этот механизм может быть развит в многоступенчатую систему лазерного ускорения ионов для получения ионных пучков с более высокой энергией.