Реалізована нова технологія прискорення частинок

Мал. 1. Схема роботи діелектричного лазерного прискорювача. На кварцове скло з періодичними борозенками субмикронного розміру світить лазерний промінь, а вздовж поверхні, перпендикулярно борозенками і променю, пускається потік електронів. Та, що біжить уздовж поверхні еванесцентні світлова хвиля підхоплює електрони і прискорює їх своїм полем. Зображення з сайту physics.aps.org

Труднощі прискорювальної фізики

Прискорювачі елементарних частинок потрібні не тільки фізикам, а й звичайних людей. З десятків тисяч прискорювачів, які зараз існують в світі, лише близько сотні працюють за прямим призначенням, для вивчення мікросвіту. Всі інші використовуються для вирішення прикладних завдань в біології, в матеріалознавстві, в медицині і навіть, як це не дивно, для вивчення історії Стародавнього світу (ось лише один приклад). Короткий перелік цих застосувань можна знайти, наприклад, в брошурі Accelerators and Beams, Tools for discovery and innovation (PDF, 7 Мб).

Прискорює поля напруженістю в МегаВольт і навіть десятки мегавольт на метр сучасна технологія ще дозволяє досягти. Зазвичай всередині спеціально виготовленою сверхпроводящей камери складної форми порушується потужна стояча електромагнітна хвиля, яка підштовхує пролітають крізь неї частки (перевірити свої навички прискорення частинок можна у флеш-грі LHC Game). Однак градієнт більше декількох десятків МеВ / м в таких камерах отримати не вдається - метал просто не витримує занадто сильного поля, відбувається пробій камери. Саме тому лінійний електрон-позитронний колайдер на енергію порядку 1 ТеВ буде довгим, кілька десятків кілометрів, і, як наслідок, досить дорогим.

Інший варіант - зробити прискорювач не лінійна, а циклічним, тобто кільцевих (див. Пристрій типового прискорювача на інтерактивному плакаті). Частинки в ньому постійно циркулюють всередині кільцевої труби, а не проходять всю дистанцію тільки один раз. Тоді ускорительную секцію можна поставити скромну, зате енергію можна збільшувати, здавалося б, без обмежень - адже частинки будуть пролітати її мільйони разів в секунду. На жаль, тут є інша проблема. Частинки з дуже великою енергією важко утримувати на кільцевій траєкторії. На лінійній ділянці - будь ласка, але як тільки частці потрібно повертати, до неї треба прикладати силу. А це досягається знову-таки за рахунок зовнішнього поля - на цей раз магнітного поля всередині поворотного магніту. Оскільки воно обмежене, доводиться частки повертати поступово. тобто збільшувати радіус повороту. Тому кільцеві прискорювачі на великі енергії, наприклад Великий адронний коллайдер, теж виходять величезними.

У разі циклічних прискорювачів електронів виникає ще додаткова проблема: електрони при повороті випромінюють електромагнітні хвилі і втрачають енергію. Тому прискорювальна секція повинна, перш за все, компенсувати втрати енергії на кожному обороті, а вже потім збільшувати енергію. І коли на одне лише підтримання енергії потрібно витрачати сотні мегават (!), Подальше збільшення дози стає просто нерентабельним. А для лінійної траєкторії таких проблем немає.

Виходить, в обох типах прискорювача є природне обмеження на енергію частинок, і виникає воно тому, що ми до цих пір не вміємо створювати і тримати досить сильні електричні і магнітні поля. Ніякі звичайні, налагоджені зараз прискорювальні технології не можуть впоратися з цією проблемою.

На щастя, для переважної більшості прикладних прискорювачів це не проблема. Енергії там потрібні невеликі, близько сотень МеВ, їх цілком можна отримати і на установці розміром кілька метрів. Але залишаються інші технічні проблеми, починаючи від високотехнологічного процесу виготовлення прискорювальних секцій і закінчуючи складною інфраструктурою і великим енергоспоживанням. Та й компактними такі прискорювачі не назвеш: під них в будь-якому випадку доводиться виділяти цілу будівлю. Про настільному, а тим більше портативному прискорювачі можна тільки мріяти.

Спроби розірвати зачароване коло

Єдиний спосіб різко зменшити розміри прискорювачів і здешевити їх виробництво - знайти нову технологію прискорення частинок. яка дозволила б збільшити прискорює градієнт хоча б до сотень МеВ / м. І надії на це є. Справа в тому, що в принципі поле напруженістю в багато гігавольти на метр отримати нескладно; головна трудність - як його утримувати. адже таке поле викличе пробою металевих стінок.

У цих багатообіцяючих технологій є, втім, і недоліки. Перший - проблеми з масштабністю. Про лазерних прискорювачах взагалі нічого говорити: там прискорення виходить тільки одноразовим при прожигании одного листочка фольги. У лазерно-плазмових величезні поля продемонстровані поки всередині маленької камери розміром не більше декількох сантиметрів. Для прискорення на великі енергії потрібно зістикувати безліч таких камер один з одним і синхронізувати освіту плазмового бульбашки у всіх них. Ось це завдання поки залишається невирішеною, хоча перші експерименти зі стикування двох камер вже проведені.

Інша очевидна проблема - поведінка пучка прискорених частинок. Адже пучку доводиться не тільки летіти крізь саму плазму, а й постійно проходити через стінки камер. Чи сумісне це з необхідними параметрами пучків та його інтенсивністю - питання складне; в будь-якому випадку, доводиться ламати голову над тим, як би не зіпсувати пучок прискоренням.

І нарешті, залишається проблема з вартістю. Навіть якщо вдасться створити, скажімо, компактний протонний лазерний прискорювач для випалювання ракових пухлин, він все одно буде використовувати надпотужний лазер, а це дуже дорога установка.

Втім, до честі лазерно-плазмових прискорювачів треба сказати, що їх потенціал далеко не вичерпаний. Кілька місяців тому була описана схема і проведено чисельне моделювання електронного прискорення в періодичній плазмової структурі. Прискорюють градієнти там виходять зовсім захмарні, багато ТеВ / м. Якщо це вдасться реалізувати, то хиггсовских бозони можна буде народжувати в настільному прискорювачі. Однак від ідеї до експериментальної реалізації шлях довгий, тому ці пропозиції лежать поки, скоріше, в сфері бажаного, ніж дійсного.

Нова технологія прискорення

Мал. 2. Електронна мікрофотографія прозорого бруска з кварцового скла з витравленими на ньому періодичними борозенками. Зображення з обговорюваної статті в Phys. Rev. Lett.

У ситуації, що склалася з традиційними і лазерно-плазмовими прискорювачами здається дуже привабливою ще одна методика - діелектричний лазерний прискорювач. Чи не обіцяючи величезних прискорюють градієнтів, ця схема підкуповує своєю простотою, масштабованість, компактністю і дешевизною. Вона була запропонована не так давно, і до сих пір все обмежувалося лише теоретичними дослідженнями цього типу прискорювачів. Але зараз ситуація змінилася: на днях в журналах Nature і Physical Review Letters одночасно вийшли дві статті, в яких повідомляється про першої успішної реалізації цього методу. Прискорення електронів, досягнуте в цих роботах, поки що зовсім мізерно, але за високою ефективністю тут ніхто і не гнався - ці досліди лише успішно довели, що метод працює. Вже зараз видно, як легко поліпшити всі показники пучків.

Змалюємо коротко суть діелектричного лазерного прискорення на прикладі статті в Phys. Rev. Lett. У крихітному зразку прозорого діелектрика (наприклад, кварцового скла) витравлюються довгі паралельні борозенки з періодом в частку мікрона (рис. 2). Виходить фазова дифракційна решітка, але з дуже коротким періодом. Знизу крізь скло пропускають лазерний промінь з довжиною хвилі трохи більше, ніж період решітки. А прямо над цією структурою, паралельно поверхні скла, пролітає компактний електронний згусток. Він відчуває тільки лазерний промінь - спрямований, зауважте, перпендикулярно руху електронів! - але саме цей лазерне світло його прискорює (рис. 1).

За рахунок чого відбувається тут прискорення? Світло з лінійною поляризацією, перпендикулярній борозенками, наводить на них поляризацію. Тому в вакуумі безпосередньо над поверхнею існує нестійке періодичне електричне поле (рис. 3). Якщо період структури занадто маленький, то це поле тримається біля поверхні, немов якийсь «віртуальний» світло, і не може полетіти вгору. Це так зване ближнє світлове поле. або еванесцентні хвиля (див. задачу на схожу тему). Його можна уявити як набір електромагнітних хвиль, які біжать уздовж поверхні скла, але перпендикулярно борозенками; це рух і показано на рис. 3 у вигляді послідовних «кадрів» стану поля. Швидкість цих хвиль легко налаштовується підбором довжини хвилі світла. Тепер важливий момент - електричне поле в цій хвилі теж направлено уздовж поверхні, паралельно напрямку руху хвилі. Виникають ідеальні умови для прискорення частинок: якщо електронний згусток рухається з тією ж швидкістю, що і хвиля, то вона його просто підхоплює і несе вперед, попутно розганяючи своїм електричним полем.

Мал. 3. Принцип прискорення в діелектричному лазерному прискорювачі. Лазерний світло, що йде знизу, створює над поверхнею змінне в часі і просторі електричне поле, спрямоване паралельно поверхні. Три послідовних зображення показують конфігурацію поля в три наступні моменти часу, розділених на чверть періоду коливання світлової хвилі. Пролітаючи над поверхнею і потрапляючи в це поле, заряджені частинки будуть прискорюватися (частка 1), сповільнюватися (частка 2), або розходитися в сторони (частки 3 і 4) в залежності від їх розташування. Зображення з обговорюваної статті в Phys. Rev. Lett.

Мал. 4. Електронна мікрофотографія зазору між двома решітками (зліва) і вся структура цілком на кінчику пальця (праворуч). Зображення з обговорюваної статті в Nature

За рахунок чого в цьому методі вдається отримувати прискорює градієнт на порядок сильніше, ніж в традиційних технологіях? Так просто за рахунок того, що тут використовується не метал, а діелектрик. Метал чутливіші відгукується на сильне електричне поле, оскільки в ньому є вільні електрони. Тому ті поля, які викличуть пробою в металевій камері, діелектрик ще тримає. Дослідження показали, що такі структури з кварцового скла тримають поле як мінімум 9 ГВ / м, отже, градієнт понад 1 ГеВ / м в такому прискорювачі здається цілком реальним.

Переваги нової технології

Наведене вище число, звичайно, сильно перевищує прискорюють градієнти в сучасних прискорювачах, але йому далеко до рекордів лазерно-плазмових прискорювачів. Однак у діелектричного прискорювача є відразу кілька вражаючих достоїнств, які роблять його серйозним конкурентом.

По-перше, його виготовлення та управління незрівнянно простіше, ніж для традиційних або для лазерно-плазмових прискорювачів. Потрібні структури легко і масово виготовляються на вже існуючих технологічних лініях, наприклад на тих, де виробляються мікрочіпи. Зробити незбиране скельце з декількома йдуть один за одним структурами простіше простого (рис. 5, зліва). Лазер в обох роботах використовувався самий звичайний, комерційно доступний, а зовсім не якийсь надпотужний.

Мал. 5. Зліва: кварцова пластина з сотнями потрібних діелектричних структур; справа: умовна схема установки «прискорювач-на-чіпі», в якій всі елементи циклічного прискорювача виконані у вигляді структур в цільної пластини і управляються лазерними імпульсами. Зображення з обговорюваних статей.

По-третє, великий плюс цієї технології прискорення полягає в тому, що вона повністю оптична і практично безперервна (тобто працює протягом тривалого часу на імпульсному лазері з мільйонами імпульсів в секунду). Не треба мучитися з електромагнітами, а тим більше з сверхпроводниками, як в звичайних прискорювачах; не треба вистрілювати надпотужними світловими імпульсами і марнувати фольгу, як в лазерних; не треба підтримувати плазму в спеціальних камерах і створювати в ній коливаються бульбашки з полем. Правильне скельце, вакуум і світло - це все, що потрібно для діелектричного прискорення. Більш того, оскільки в цьому оптичному пристрої немає ніяких рухомих частин, то виникає ще одна перевага - виняткове швидкодія при перемиканні режимів.

По-четверте, описана методика дозволяє не тільки розганяти частинки, але і виконувати інші маніпуляції з пучками - повертати їх і навіть фокусувати. В результаті здається реалізованої дивовижна конструкція, яку можна назвати «прискорювач-на-чіпі» (рис. 5, праворуч). Всередині одного-єдиного скла будуть виконані всі ключові елементи циклічного прискорювача, а користувачеві потрібно буде лише забезпечити впорскування частинок і світити лазерним променем в потрібному місці в потрібний час. У світлі всіх цих описаних досягнень такі дешеві і ультрапортативні прискорювачі вже не здаються чимось фантастичним.

Така цікава комбінація переваг дозволяє задуматися і про нові установках, які спочатку не приходили в голову. Наприклад, якщо не гнатися за енергією, але забезпечити компактність і монохроматичность електронного згустку, а також контрольоване включення-виключення і відхилення, то можна отримати новий (і до того ж дуже компактний!) Інструмент для надшвидкої електронної дифракції або час-дозволеної електронної мікроскопії.

Звичайно, деякі труднощі реалізації поки залишаються і тут. Наприклад, потрібно забезпечити відповідні параметри пучка на вході в структуру; все-таки йому треба втиснутися в зазор менше мікрона і не дуже розходитися в сторони. Для ідеальної роботи діелектричного прискорювача потрібно також, щоб електронний пучок на вході був розбитий на ультракороткі і рівновіддалені один від одного згустки. Однак раз вже зараз є працюючі пристрої, ці труднощі, мабуть, не принципові.

Як ніяково вийшло - побудували ВАК за 10 гігаевро. А тепер виявилося, що не з того будували і все в 100 разів дешевше могло бути.

Ви все-таки не забувайте, що технології не моментально народжуються вже готовенькі, а розвиваються. І проміжні етапи потрібні, в тому числі, і для розвитку цих, майбутніх технологій. 30 років тому не було _вообще_ ніяких технологій, які дозволяли б реалізувати LHC. Проект по його створенню включав 10-річний етап на розвиток цих технологій. Вони взяли закінчений вигляд тільки до кінця 90-х років, і тоді етап створення вийшов на фінішну пряму.

Тоді ж стало ясно, що треба намагатися розробляти і нові технології для більш ефективного прискорення, і почався пошук відразу в багатьох напрямках. Деякі технології з тих пір випереджали, деякі відставали, ще нові попутно з'являлися. Загалом, люди стали думати, шукати і пробувати. Ось це технологія - як раз з цієї серії. Друга роботи була, до речі, виконана саме в рамках широкої програми з розробки прискорювачів наступного покоління, Next Linear Collider Test Accelerator.

= Як ніяково вийшло - побудували ВАК за 10 гігаевро. А тепер виявилося, що не з того будували і все в 100 разів дешевше могло бути. =
Я не зрозумів: описаний в статті прискорювач, - це заміна Баку?

Бак прискорює частинки не мають заряду. А дана технологія дозволяє прискорювати тільки заряджені частинки. Але оскільки технологія легко масштабується, то можна було побудувати коллайдер, зіштовхує заряджені частинки, з параметрами як у ВАК.