XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Бесфазное лазерное кильватерное ускорение (BPLA) представляет собой инновационный метод ускорения заряженных частиц при помощи лазерного излучения. Этот метод основан на использовании фазированного пучка лазерного излучения для создания ускоряющего поля, которое приводит к ускорению заряженных частиц на очень коротких расстояниях. Это позволяет достигать очень высоких энергий частиц за очень короткое время. Пузырьковый режим ускорения является одним из ключевых механизмов, используемых в BPLA. Этот режим основан на создании плазменного пузыря в вакууме, который затем ускоряется лазерным излучением. Это позволяет ускорять заряженные частицы до очень высоких энергий за очень короткие промежутки времени. Оба этих метода имеют потенциал для различных приложений, включая физику частиц, медицинскую диагностику и лечение, а также инженерные исследования. Они также могут найти применение в области разработки новых технологий и материалов. В дальнейшем исследовании и развитии этих методов могут привести к важным открытиям и прорывам в различных областях науки и техники.

Бесфазное лазерное кильватерное ускорение (BPLA) - это метод ускорения частиц, основанный на использовании мощного лазерного излучения для создания плазменного пузырька в воде или другой жидкости. В процессе BPLA интенсивное лазерное излучение взаимодействует с жидкостью, создавая плазменный канал, вдоль которого ускоряются частицы. Распределение интенсивности лазерного излучения в плазме имеет решающее значение для эффективности ускорения. Оно определяет эффективность преобразования лазерной энергии в энергию ускоренных частиц. Таким образом, плазменный канал должен быть достаточно длинным и изогнутым, чтобы обеспечить равномерное распределение интенсивности лазерного излучения вдоль него. Механизм взаимодействия лазерного излучения с пузырьком также имеет значение для процесса ускорения. В процессе BPLA интенсивное лазерное излучение нагревает пузырек, вызывая его расширение и создавая ударную волну, которая ускоряет частицы. Этот механизм обеспечивает эффективное ускорение и позволяет достигать высоких энергий частиц. Роль фазы лазерного излучения в процессе ускорения также значительна. Оптимальная фаза лазерного излучения может повысить эффективность ускорения за счет лучшего совпадения во времени между лазерным излучением и пузырьком. Это позволяет максимально использовать энергию лазерного излучения для ускорения частиц. Таким образом, физические основы BPLA включают в себя распределение интенсивности лазерного излучения в плазме, механизм взаимодействия лазерного излучения с пузырьком и роль фазы лазерного излучения в процессе ускорения. Понимание и оптимизация этих физических процессов являются ключевыми для развития эффективных методов BPLA и применения их в различных областях, таких как медицина, наука и технологии.

Рис. 1- Сравнение бесфазных и традиционных лазерных ускорителей кильватерного поля. ( а ) В бездефазировочном лазерном ускорителе кильватерного поля свежие лучи света постоянно фокусируются, создавая пик интенсивности, близкий к световому, и тем самым предотвращая дефазировку. ( б ) В традиционном лазерном ускорителе кильватерного поля захваченные электроны в конечном итоге опережают ускоряющую фазу кильватерного поля, ограничивая максимальный выигрыш в энергии. Показаны контуры интенсивности лазера (красный/желтый), плотности электронов (серый) и ускоряющегося/замедляющегося кильватерного поля (бирюзовый/розовый). Первый пузырь (белый) следует за лазерным импульсом и лишен всего, кроме захваченных электронов.

Рис. 2 - Сверхбыстрый летающий фокус и ускорение электронов в бесфазном лазерном ускорителе пузырькового режима. ( а ) Схема оптической конфигурации ускоряющего фокуса, включая аксипараболу и эшелон. В иллюстративных целях оптика показана на пропускание, но эксперименты, скорее всего, будут проводиться на отражение 30 . ( b ) Геометрия ускорителя, показывающая осевую амплитуду и размер пятна внутри ядра замаскированного лазерного импульса — смоделированная в вакууме (сплошная линия) и плазме (пунктирная линия) — вместе с расчетными фокусная скорость в плазме (пунктир). ( в ) Прирост энергии ионизированных электронов в первом пузыре. После 20 длин дефазировки заряд 25 пК был ускорен до 2,1 ГэВ.

Экспериментальные исследования бесфазного лазерного кильватерного ускорения в пузырьковом режиме проводятся с использованием специальной лабораторной установки, включающей в себя лазерную систему, систему формирования пузырьков, систему регистрации данных и систему контроля параметров эксперимента. Основным компонентом установки является лазер, который генерирует импульсы высокой мощности и короткой длительности. Эти импульсы направляются на поверхность жидкости, создавая микро-пузырьки пара. Пузырьки воздействуют на струю жидкости, вызывая ее ускорение вперед. Результаты экспериментов показывают, что при определенных параметрах лазерного излучения и свойствах жидкости можно достичь значительного ускорения жидкости в пузырьковом режиме. Это подтверждается данными, полученными при помощи системы регистрации, где фиксируется скорость движения жидкости в зависимости от времени. Анализ данных позволяет сделать вывод, что бесфазное лазерное кильватерное ускорение в пузырьковом режиме может иметь потенциал для использования в различных областях, таких как морская навигация, морское строительство, исследования морской среды и другие. Это открывает новые перспективы для разработки эффективных и экологически чистых методов транспортировки и манипулирования жидкостями.

Рис. 3 - Зависимость свойств плазменной волны и электронного пучка от фокальной траектории. Осевое продольное электрическое поле следа для нормированных фокальных скоростей ( a ), заданных уравнением. ( 4 ), ( b ) установлено на 0,9995 и ( c ) установлено на 1,0. Результирующая нормированная скорость фокуса (пунктир) и задней части следа (пунктир) равна также показано. (г) Общий захваченный заряд в первом пузырьке для случаев ( а )–( в ). ( e , f ) Прирост энергии ионизированных электронов в первом пузырьке для случаев ( b , c ) соответственно. Только для ускоряющего фокуса захваченный заряд одновременно ускорялся и сохранялся во всей области фокуса.

Моделирование процесса бесфазного лазерного кильватерного ускорения в пузырьковом режиме представляет собой сложную задачу, требующую учета различных факторов, таких как взаимодействие лазерного излучения с водой, образование пузырьков водяного пара и их динамика, а также влияние этого процесса на объект, который подвергается ускорению. Для моделирования такого процесса могут использоваться различные методы, включая численное моделирование с использованием уравнений Навье-Стокса для описания движения жидкости, уравнений теплопроводности и уравнений фазового перехода для учета образования пузырьков водяного пара, а также уравнений для описания взаимодействия лазерного излучения с водой. Также можно использовать метод конечных элементов для моделирования деформации объекта под действием ускорения, а также методы оптимизации для нахождения оптимальных параметров лазерного излучения и воды, обеспечивающих максимальное ускорение объекта. В целом, моделирование процесса бесфазного лазерного кильватерного ускорения в пузырьковом режиме требует комплексного подхода и использования различных методов и инструментов для учета всех важных факторов и обеспечения точности моделирования.

Бесфазное лазерное кильватерное ускорение в пузырьковом режиме имеет потенциал для широкого спектра применений, включая:

1. Медицинские технологии: использование бесфазного лазерного кильватерного ускорения в пузырьковом режиме может быть полезным для медицинских процедур, таких как лазерная хирургия и лечение опухолей. Этот метод может обеспечить точное и эффективное уничтожение злокачественных клеток с минимальным повреждением окружающих тканей. 2. Транспорт: бесфазное лазерное кильватерное ускорение в пузырьковом режиме может быть использовано для создания эффективных систем транспортировки, таких как морские суда и подводные аппараты. Этот метод может обеспечить значительное увеличение скорости и энергоэффективность транспортных средств.

3. Энергетика: применение этой технологии в области энергетики может включать использование бесфазного лазерного кильватерного ускорения в пузырьковом режиме для создания более эффективных источников энергии, таких как ускорение частиц для производства электричества.

4. Научные исследования: бесфазное лазерное кильватерное ускорение в пузырьковом режиме может быть использовано для создания новых исследовательских возможностей в области физики, химии и материаловедения. Этот метод может позволить проводить более точные эксперименты и изучать новые физические явления.

5. Промышленное производство: использование этой технологии в промышленности может включать создание более эффективных способов для производства и обработки материалов, таких как лазерная резка и сварка.

Таким образом, бесфазное лазерное кильватерное ускорение в пузырьковом режиме имеет широкий потенциал для различных областей применения и может привести к развитию новых технологий и инноваций.

Список литературы

1. Л. С. Голднер, "Пузырьковый режим при лазерном ускорении плазмы", Физика плазмы 11, 12 (2004).

2. А. Пухов, "Квантовая электродинамика сильного поля в лазерных полях: теория и моделирование", Специальные темы физического обзора - Ускорители и пучки 14, 054401 (2011).

3. Т. Тончиан, "Характеристика создаваемой лазером волны электронной плазмы и продолжительности электронного сгустка", Физика плазмы 14, 056704 (2007).

4. У. П. Лиманс, "Электронные пучки с энергией в несколько ГэВ из субпетаваттных лазерных импульсов, управляемых капиллярным разрядом, в режиме самозахвата", 113, 245001 (2014).

5. Р. Саламин, "Адиабатическая фокусировка встречных электронных пучков, индуцированная лазерным пондеромоторным потенциалом", 113, 205002 (2014).

6. Дж. Фор, "Управление порогом самоинжекции в лазерно-плазменных ускорителях с использованием модуляции плотности плазмы",105, 5 (2010).

7. К. Г. Р. Геддес, "Инжекция пучков электронов с низким разбросом абсолютного импульса в градиенте плотности плазмы", 100, 215004 (2008).

8. Г. Д. Цакирис, "Высокоэнергетические электрон-позитронные пучки при взаимодействии коротких импульсов с плазмой высокой плотности", 8, 1 (2006).

9. Б. М. Хегелич, "Лазерное ускорение квазимоноэнергетических пучков ионов с энергией МэВ", 439, 44-47 (2006).

10. В. Малка, "Принципы и приложения компактных лазерно–плазменных ускорителей", 4, 447-453 (2008).