Вышедшие номера
Home » Журнал технической физики » Год 2025, выпуск 9 » Статья стр. 1629
>>>
Перспективы ускорения электронов лазерами не слишком большой мощности
Вишняков Е.А. 1
1Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия
Email: juk301@mail.ru
Поступила в редакцию: 7 мая 2025 г.
В окончательной редакции: 7 мая 2025 г.
Принята к печати: 7 мая 2025 г.
Выставление онлайн: 21 августа 2025 г.
PDF версия
Проанализированы возможности фемтосекундных тераваттных лазерных систем не слишком большой мощности (~100 TW) для генерации электронных пучков методом ускорения кильватерными волнами в релятивистской лазерной плазме. Проведен согласованный анализ оптимальных параметров лазерных импульсов и плазмы, позволяющих достичь энергий электронных пучков на уровне 0.5 GeV. Показано, что лазерные импульсы длительностью 40 fs, полученные из системы мощностью 60 TW, позволяют ускорить электроны в плазме плотностью 1.9·1018 cm-3 до энергий ~500 MeV на длине ускорения порядка 1 cm. Произведено сравнение расчетов с результатами, полученными ранее в экспериментах на лазерных системах сопоставимой мощности. Ключевые слова: кильватерное ускорение, лазерное ускорение электронов, тераваттные лазеры, компактный ускоритель.
  1. A.V. Bukhtiyarov, V.I. Bukhtiyarov, A.D. Nikolenko, I.P. Prosvirin, R.I. Kvon, O.E. Tereshchenko. AIP Conf. Proc., 2299, 060003 (2020). DOI: 10.1063/5.0030740
  2. P.G. O'Shea, H.P. Freund. Science, 292 (5523), 1853 (2001). DOI: 10.1126/science.1055718
  3. И.М. Тернов. УФН, 165 (4), 429 (1995). DOI: 10.3367/ UFNr.0165.199504c.0429 [I.M. Ternov. Phys.-Usp., 38 (4), 409 (1995). DOI: 10.1070/PU1995v038n04ABEH000082]
  4. C. Danson, D. Hillier, N. Hopps, D. Neely. High Power Laser Sci. Eng., 3, e3 (2015). DOI: 10.1017/hpl.2014.52
  5. G.J. Budker. In: CERN Symposium on High Energy Accelerators and Pion Physics, ed. by E. Regenstreif (Geneva, CERN, 1956), v. 1, p. 68. DOI: 10.5170/CERN-1956-025
  6. V.I. Veksler. In: CERN Symposium on High Energy Accelerators and Pion Physics, ed. by E. Regenstreif (Geneva, CERN, 1956), v. 1, p. 80. DOI: 10.5170/CERN-1956-025
  7. I.B. Fainberg. In: CERN Symposium on High Energy Accelerators and Pion Physics, ed. by E. Regenstreif (Geneva, CERN, 1956), v. 1, p. 84. DOI: 10.5170/CERN-1956-025
  8. Я.Б. Файнберг. Владимир Иосифович Векслер (ОИЯИ, Дубна, 2003)
  9. T. Tajima, J.M. Dawson. Phys. Rev. Lett., 43, 267 (1979). DOI: 10.1103/PhysRevLett.43.267
  10. E. Esarey, C.B. Schroeder, W.P. Leemans. Rev. Mod. Phys., 81 (3), 1229 (2009). DOI: 10.1103/RevModPhys.81.1229
  11. A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn. Appl. Phys. B, 74 (4-5), 355 (2002). DOI: 10.1007/s003400200795
  12. D. Strickland, G. Mourou. Opt. Commun., 56 (3), 219 (1985). DOI: 10.1016/0030-4018(85)90120-8
  13. A. Modena, Z. Najmudin, A.E. Dangor, C.E. Clayton, K.A. Marsh, C. Joshi, V. Malka, C.B. Darrow, C. Danson, D. Neely, F.N. Walsh. Nature, 377, 606 (1995). DOI: 10.1038/377606a0
  14. F. Amiranoff, S. Baton, D. Bernard, B. Cros, D. Descamps, F. Dorchies, F. Jacquet, V. Malka, J.R. Marques, G. Matthieussent, P. Mine, A. Modena, P. Mora, J. Morillo, Z. Najmudin. Phys. Rev. Lett., 81 (5), 995 (1998). DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.995
  15. V. Malka, S. Fritzler, E. Lefebvre, M.-M. Aleonard, F. Burgy, J.-P. Chambaret, J.-F. Chemin, K. Krushelnick, G. Malka, S.P.D. Mangles, Z. Najmudin, M. Pittman, J.-P. Rousseau, J.-N. Scheurer, B. Walton, A.E. Dangor. Science, 298 (5598), 1596 (2002). DOI: 10.1126/science.1076782
  16. S.P.D. Mangles, C.D. Murphy, Z. Najmudin, A.G.R. Thomas, J.L. Collier, A.E. Dangor, E.J. Divall, P.S. Foster, J.G. Gallacher, C.J. Hooker, D.A. Jaroszynski, A.J. Langley, W.B. Mori, P.A. Norreys, F.S. Tsung, R. Viskup, B.R. Walton, K. Krushelnick. Nature, 431, 535 (2004). DOI: 10.1038/nature02939
  17. C.G.R. Geddes, Cs. Toth, J. van Tilborg, E. Esarey, C.B. Schroeder, D. Bruhwiler, C. Nieter, J. Cary, W.P. Leemans. Nature, 431, 538 (2004). DOI: 0.1038/nature02900
  18. J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, V. Malka. Nature, 431, 541 (2004). DOI: 10.1038/nature02963
  19. W.P. Leemans, B. Nagler, A.J. Gonsalves, Cs. Toth, K. Nakamura, C.G.R. Geddes, E. Esarey, C.B. Schroeder, S.M. Hooker. Nat. Phys., 2, 696 (2006). DOI: 10.1038/nphys418
  20. X. Wang, R. Zgadzaj, N. Fazel, Zh. Li, S.A. Yi, X. Zhang, W. Henderson, Y.-Y. Chang, R. Korzekwa, H.-E. Tsai, C.-H. Pai, H. Quevedo, G. Dyer, E. Gaul, M. Martinez, A.C. Bernstein, T. Borger, M. Spinks, M. Donovan, V. Khudik, G. Shvets, T. Ditmire, M.C. Downer. Nat. Commun., 4, 1988 (2013). DOI: 10.1038/ncomms2988
  21. W.P. Leemans, A.J. Gonsalves, H.-S. Mao, K. Nakamura, C. Benedetti, C.B. Schroeder, C. TOth, J. Daniels, D.E. Mittelberger, S.S. Bulanov, J.-L. Vay, C.G.R. Geddes, E. Esarey. Phys. Rev. Lett., 113, 245002 (2014). DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.245002
  22. A.J. Gonsalves, K. Nakamura, J. Daniels, C. Benedetti, C. Pieronek, T.C.H. de Raadt, S. Steinke, J.H. Bin, S.S Bulanov, J. van Tilborg, C.G.R. Geddes, C.B. Schroeder, C. Toth, E. Esarey, K. Swanson, L. Fan-Chiang, G. Bagdasarov, N. Bobrova, V. Gasilov, G. Korn, P. Sasorov, W.P. Leemans. Phys. Rev. Lett., 122, 084801 (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.084801
  23. C. Aniculaesei, Th. Ha, S. Yoffe, L. Labun, S. Milton, E. McCary, M.M. Spinks, H.J. Quevedo, O.Z. Labun, R. Sain, A. Hannasch, R. Zgadzaj, I. Pagano, J.A. Franco-Altamirano, M.L. Ringuette, E. Gaul, S.V. Luedtke, G. Tiwari, B. Ersfeld, E. Brunetti, H. Ruhl, T. Ditmire, S. Bruce, M.E. Donovan, M.C. Downer, D.A. Jaroszynski, B.M. Hegelich. Matter Radiat. Extremes, 9, 014001 (2024). DOI: 10.1063/5.0161687
  24. A. Picksley, J. Stackhouse, C. Benedetti, K. Nakamura, H.E. Tsai, R. Li, B. Miao, J.E. Shrock, E. Rockafellow, H.M. Milchberg, C.B. Schroeder, J. van Tilborg, E. Esarey, C.G.R. Geddes, A.J. Gonsalves. Phys. Rev. Lett., 133, 255001 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.255001
  25. M. Migliorati, A. Bacci, C. Benedetti, E. Chiadroni, M. Ferrario, A. Mostacci, L. Palumbo, A.R. Rossi, L. Serafini, P. Antici. Phys. Rev. ST Accel. Beams, 16 (1), 011302 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.16.011302
  26. N. Delbos, C. Werle, I. Dornmair, T. Eichner, L. Hubner, S. Jalas, S.W. Jolly, M. Kirchen, V. Leroux, P. Messner, M. Schnepp, M. Trunk, P.A. Walker, P. Winkler, A.R. Maier. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 909, 318 (2018). DOI: 10.1016/j.nima.2018.01.082
  27. A.R. Maier, N.M. Delbos, T. Eichner, L. Hubner, S. Jalas, L. Jeppe, S.W. Jolly, M. Kirchen, V. Leroux, P. Messner, M. Schnepp, M. Trunk, P.A. Walker, C. Werle, P. Winkler. Phys. Rev. X, 10, 031039 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031039
  28. C.N. Danson, C. Haefner, J. Bromage, Th. Butcher, J.-Ch.F. Chanteloup, E.A. Chowdhury, A. Galvanauskas, L.A. Gizzi, J. Hein, D.I. Hillier. High Power Laser Sci. Eng., 7, e54 (2019). DOI: 10.1017/hpl.2019.36
  29. C. Emma, J. Van Tilborg, R. Assmann, S. Barber, A. Cianchi, S. Corde, M.E. Couprie, R. D'Arcy, M. Ferrario, A.F. Habib. High Power Laser Sci. Eng., 9, e57 (2021). DOI: 10.1017/hpl.2021.39
  30. L. Tonks, I. Langmuir. Phys. Rev., 33, 195 (1929)
  31. A. Pukhov, S. Gordienko, S. Kiselev, I. Kostyukov. Plasma Phys. Control. Fusion, 46, B179 (2004). DOI: 10.1088/0741-3335/46/12B/016
  32. S.V. Bulanov, T.Zh. Esirkepov, Y. Hayashi, H. Kiriyama, J.K. Koga, H. Kotaki, M. Mori, M. Kando. J. Plasma Phys., 82 (3), 905820308 (2016). DOI: 10.1017/S0022377816000623
  33. V. Malka. In: Proc of the CAS-CERN Accelerator School: Plasma Wake Acceleration, ed. by B. Holzer (Geneva, CERN, 2016), v. 1, p. 1. DOI: 10.5170/CERN-2016-001.1
  34. G.-Zh. Sun, E. Ott, Y.C. Lee, P. Guzdar. Phys. Fluids, 30 (2), 526 (1987). DOI: 10.1063/1.866349
  35. D.H. Froula, C.E. Clayton, T. Doppner, K.A. Marsh, C.P.J. Barty, L. Divol, R.A. Fonseca, S.H. Glenzer, C. Joshi, W. Lu, S.F. Martins, P. Michel, W.B. Mori, J.P. Palastro, B.B. Pollock, A. Pak, J.E. Ralph, J.S. Ross, C.W. Siders, L.O. Silva, T. Wang. Phys. Rev. Lett., 103, 215006 (2009). DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.215006
  36. K. Nakajima, A. Deng, X. Zhang, B. Shen, J. Liu, R. Li, Zh. Xu, T. Ostermayr, S. Petrovics, C. Klier, K. Iqbal, H. Ruhl, T. Tajima. Phys. Rev. ST Accel. Beams, 14, 091301 (2011). DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.14.091301
  37. W. Lu, M. Tzoufras, C. Joshi, F.S. Tsung, W.B. Mori, J. Vieira, R.A. Fonseca, L.O. Silva. Phys. Rev. ST Accel. Beams, 10, 061301 (2007). DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.10.061301
  38. G.A. Bagdasarov, K.O. Kruchinin, A.Yu. Molodozhentsev, P.V. Sasorov, S.V. Bulanov, V.A. Gasilov. Phys. Rev. Research, 4, 013063 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.013063
  39. S. Maity, A. Mondal, E. Vishnyakov, A. Molodozhentsev. Plasma Phys. Control. Fusion, 66, 035012 (2024). DOI: 10.1088/1361-6587/ad238e
  40. A.A. Soloviev, K.F. Burdonov, V.N. Ginzburg, A.A. Gonoskov, E.V. Katin, A.V. Kim, A.V. Kirsanov, A.V. Korzhimanov, I.Yu. Kostyukov, V.V. Lozhkarev, G.A. Luchinin, A.N. Mal'shakov, M.A. Martyanov, E.N. Nerush, O.V. Palashov, A.K. Poteomkin, A.M. Sergeev, A.A. Shaykin, M.V. Starodubtsev, I.V. Yakovlev, E.A. Khazanov. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, 653, 35 (2011). DOI: 10.1016/j.nima.2011.01.180
  41. S.E. Perevalov, K.F. Burdonov, A.V. Kotov, D.S. Romanovskiy, A.A. Soloviev, M.V. Starodubtsev, A.A. Golovanov, V.N. Ginzburg, A.A. Kochetkov, A.P. Korobeinikova, A.A. Kuz'min, I.A. Shaikin, A.A. Shaykin, I.V. Yakovlev, E.A. Khazanov, I.Yu. Kostyukov. Plasma Phys. Control. Fusion, 62 (9), 094004 (2020). DOI: 10.1088/1361-6587/aba19f
  42. А.А. Соловьев, К.Ф. Бурдонов, В.Н. Гинзбург, М.Ю. Глявин, Р.С. Земсков, А.В. Котов, А.А. Кочетков, А.А. Кузьмин, А.А. Мурзанев, И.Б. Мухин, С.Е. Перевалов, С.А. Пикуз, М.В. Стародубцев, А.Н. Степанов, Ж. Фукс, И.А. Шайкин, А.А. Шайкин, И.В. Яковлев, Е.А. Хазанов. УФН, 194 (3), 313 (2024). DOI: 10.3367/UFNr.2022.11.039612 [A.A. Soloviev, K.F. Burdonov, V.N. Ginzburg, M.Yu. Glyavin, R.S. Zemskov, A.V. Kotov, A.A. Kochetkov, A.A. Kuzmin, A.A. Murzanev, I.B. Mukhin, S.E. Perevalov, S.A. Pikuz, M.V. Starodubtsev, A.N. Stepanov, Ju. Fuchs, I.A. Shaikin, A.A. Shaikin, I.V. Yakovlev, E.A. Khazanov. Phys.-Usp., 67 (3), 293 (2024). DOI: 10.3367/UFNe.2022.11.039612]
  43. A.Y. Molodozhentsev, J.T. Green, P. Zimmermann, A. Jancarek, S.M. Maity, A. Mondal, S.N. Niekrasz, E. Vishnyakov. In: Proc. of the 67th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Future Light Sources, ed. by H.-H. Braun, J. Chrin, R. Ganter, N. Hiller, V. RW Schaa (Lucerne, JACoW Publishing, 2024), p. 237. DOI: 10.18429/JACoW-FLS2023-TH2C2
  44. A.Y. Molodozhentsev, G. Korn, L. Pribyl, A.R. Maier. In: Proc. 60th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Future Light Sources, ed. by Y.H. Chin, Zh. Zhao, C. Petit-Jean-Genaz, V. RW Schaa (Shanghai, JACoW Publishing, 2018), p. 62. DOI: 10.18429/JACoW-FLS2018-TUA2WC02

Учредители

Издатель

© 2025 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme