способ лазерного ускорения электронов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ лазерного ускорения электронов, основанный на инжекции электронного пучка непосредственно в лазерный луч, отличающийся тем, что инжекцию электронного пучка осуществляют перпендикулярно оси лазерного луча произвольной интенсивности, обладающего комбинированной поляризацией электромагнитного поля, причем инжекцию осуществляют со стороны круговой поляризации поля так, чтобы смена круговой поляризации на линейную происходила во время прохождения ускоряемым электроном центральной части лазерного луча.

2. Устройство для лазерного ускорения электронов, содержащее лазер, формирователь ускоряющего поля и инжектор электронов, отличающееся тем, что лазер выполнен двухчастотным с одинаковой интенсивностью линейно поляризованных лучей на частотах ₁ и _2, причем поляризации лучей ортогональны друг другу и разность частот (₁-₂)V_o/r_o, где V₀ - средняя скорость электрона, r₀ - радиус луча, а формирователь выполнен в виде смесителя, совмещающего оба излучения в один луч, и лазерного усилителя этого луча.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ускорения заряженных частиц, а также к области лазерной физики и может быть использовано для разработки ускорителей заряженных частиц принципиально нового типа.

Известны способы ускорения заряженных частиц, основанные на возбуждении продольных электрических полей лазерным излучением в докритической плазме [1].

Известны устройства для ускорения заряженных частиц в докритической плазме, представляющие собой плазму, в которой лазерным импульсом возбуждается волна электростатического поля, в которую инжектируется пучок электронов [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ лазерного ускорения электронов [3], основанный на инжекции электронного пучка непосредственно в лазерный луч. Инжекцию осуществляют вдоль направления распространения лазерного луча (параллельно его оси) в моменты, когда фаза лазерного поля имеет определенные значения, при которых поле ускоряет электроны.

Устройство [3] для осуществления указанного способа содержит (фиг. 1): лазер 1, формирователь ускоряющего поля 2 и инжектор электронов 3. Формирователь 2 состоит из призм полного внутреннего отражения 4 и зеркал 5, с помощью которых формируется ускоряющее поле и реализуется схема продольной инжекции - инжекции электронов в область лазерного поля по направлению распространения лазерного луча (фиг. 1).

Недостатками всех вышеуказанных способов и устройств являются:

- необходимость синхронизации момента инжекции электронов с фазой ускоряющего поля в пределах оптического периода Т₀, что является сложной технической задачей (практически нереализуемой в настоящее время). В отсутствие же такой синхронизации происходит бунчировка - сильная модуляция плотности электронного пучка. В [3] пространственный размер бунчировки равен z = 0,03 мкм;

- ограничение времени (и соответственно длины) взаимодействия электронов с ускоряющим полем интервалом, на котором фаза поля меняется на . После изменения фазы на поле начинает замедлять электроны;

- ограничение интенсивности лазерного луча интенсивностью оптического пробоя диэлектрических элементов (призм) формирователя ускоряющего поля, т. к. в продольной схеме инжекции [3] формирование ускоряющего поля и инжекция электронов совмещены в пространстве (фиг. 1) и усиление излучения после формирователя невозможно.

Все это приводит к сильной модуляции плотности электронного пучка и ограничению эффективности ускорения электронов.

Целью изобретения является увеличение эффективности лазерного ускорения пучка электронов без его существенной пространственной модуляции.

Эта цель достигается тем, что при осуществлении способа лазерного ускорения электронов инжекцию электронного пучка осуществляют перпендикулярно оси лазерного луча произвольной интенсивности, обладающего комбинированной поляризацией электромагнитного поля, причем инжекцию осуществляют со стороны круговой поляризации поля так, чтобы смена круговой поляризации на линейную происходила во время прохождения ускоряемым электроном центральной части лазерного луча. При этом в устройстве, реализующем данный способ, лазер выполнен двухчастотным с одинаковой интенсивностью линейно поляризованных лучей на частотах ₁ и ₂, причем поляризации лучей ортогональны друг другу и разность частот (₁-₂) V₀/r₀, где V₀ - средняя скорость электрона, r₀ - радиус луча, а формирователь выполнен в виде смесителя, совмещающего оба излучения в один луч, и лазерного усилителя этого луча.

Положительным эффектом настоящего изобретения является то, что предлагаемый способ и устройство для лазерного ускорения электронов обеспечивают:

- рост эффективности лазерного ускорения электронов за счет снятия ограничений на увеличение интенсивности лазерного излучения;

- существенное расширение диапазона моментов инжекции, при которых происходит ускорение электронов, что позволяет практически реализовать синхронную инжекцию электронного пучка в лазерный луч (или избежать бунчировки - разбиения электронного пучка на короткие сгустки);

- эффективное взаимодействие электронов с лазерным излучением на всей длине их взаимодействия.

Изобретение поясняется фиг. 2, где изображена схема реализующего способ устройства лазерного ускорения электронов, и примером, иллюстрирующим работоспособность устройства при использовании существующих лазерных элементов.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Пучок электронов инжектируют в лазерный луч перпендикулярно его оси. При пересечении лазерного луча на электрон действуют пондеромоторные силы F_p, направление которых определяется знаком пространственного градиента интенсивности излучения I(r) в лазерном луче (r - координата в направлении, перпендикулярном оси лазерного луча). На стадии влета электрона в лазерный луч градиент интенсивности излучения направлен по скорости электрона и пондеромоторные силы замедляют электрон, а при вылете, наоборот, ускоряют электрон. Предлагаемый способ основан на зависимости пондеромоторных сил от поляризации электромагнитного поля [4]. Для круговой поляризации поля пондеромоторные силы меньше, чем для линейной [4]. Поэтому для ускорения электронов (после прохождения ими лазерного луча) поляризация излучения на стадии влета электрона в луч должна быть круговой, а на стадии вылета - линейной (для замедления электронов - наоборот), т.е. используют двухполяризационный лазерный луч.

Пондеромоторная сила F_p не зависит от фазы лазерного поля, поэтому в предлагаемом способе момент инжекции электрона в лазерный луч может меняться в широких пределах (не требуется точной временной синхронизации с определенным значением фазы лазерного поля) и бунчировка электронного пучка не происходит. Кроме того, отсутствие зависимости процесса ускорения электронов от фазы поля в предлагаемом способе снимает ограничения на время и длину взаимодействия электронов с ускоряющим излучением.

Поперечная схема инжекции (перпендикулярно оси лазерного луча) позволяет также использовать лазерный луч произвольной интенсивности. Если в продольной схеме инжекции [3] формирование ускоряющего поля и инжекция электронов совмещены в пространстве (см. прототип - фиг. 1), то в предлагаемом способе двухполяризационный "ускоряющий" луч формируют независимо. До инжекции в него электронного пучка этот луч можно усилить в лазерном усилителе, что увеличивает эффективность лазерного ускорения электронов.

Устройство (фиг. 2), реализующее описанный выше способ лазерного ускорения электронов, состоит из следующих основных элементов: лазера 6, формирователя ускоряющего поля 7, который состоит из смесителя 8 и усилителя 9, а также инжектора электронов 3. Лазер выполнен двухчастотным с одинаковой интенсивностью линейно поляризованных лучей на частотах ₁ и ₂, причем поляризации лучей ортогональны друг другу, а разность частот (₁-₂)V₀/r₀, где V₀ - средняя скорость электрона, r₀ - радиус луча (фиг.2). Двухчастотный лазер конструктивно выполнен в виде стандартного параметрического генератора света (ПГС), работающего на нелинейном кристалле с синхронизмом II типа [5]. Смеситель 8 содержит обычные отражающие и полупрозрачные оптические пластинки для совмещения двух оптических лучей в один луч, а усилитель 9 является лазерным усилителем излучения.

Устройство функционирует следующим образом: двухчастотный лазер 6 и смеситель 8 формируют двухполяризационный лазерный луч, который усиливают до необходимой интенсивности усилителем 9. В таком луче, который является смесью двух полей на разных частотах, поляризованных линейно и ортогонально друг другу, поляризация электромагнитного поля меняется во времени [6], причем смена круговой поляризации на линейную (или наоборот) происходит за время

t₀~1/(₁-₂). (1)

Разность ₁ и ₂ двухчастотного лазера 1 настраивают так, чтобы на стадии влета электрона (от периферии пучка, откуда влетает электрон, до его центральной части вблизи оси луча (ось 0 на фиг. 2)) поле обладало круговой (к) поляризацией, а на стадии вылета электрона (от центральной части луча до его периферии в другую сторону) - линейной (л) поляризацией. При этом время t₀ будет соответствовать времени пролета электроном расстояния r₀ от периферии лазерного луча до его центральной части

t₀= r₀/V₀, (2)

где V₀ - средняя поступательная скорость электрона, с которой он пересекает лазерный луч.

Электроны инжектируют в лазерный луч в моменты t_in, когда разность фаз составляющих полей равна

= (₁-₂)t_in /2, (3)

что соответствует круговой поляризации поля. Так как (₁-₂) _1,2, то допустимый разброс моментов инжекции t_in существенно превышает оптический период T₀= 2/_1,2:

t_in~ 1/(₁-₂) (4)

и жесткие требования к синхронизации момента инжекции электронов с фиксированной фазой ускоряющего поля (как в случае прототипа) отсутствуют.

При настройке двухчастотного лазера, соответствующей условиям (1) - (3), вылет электрона из лазерного луча (когда градиент его интенсивности направлен против скорости ₀ и пондеромоторные силы ускоряют электрон) происходит в моменты t_out, когда

= (₁-₂)t_out , (5)

т. е. при линейной поляризации поля (фиг. 2). Поскольку при линейной поляризации поля пондеромоторные силы, действующие на электрон, больше, чем при круговой поляризации (4), то электрон в целом ускоряется лазерным лучом.

Пример. Пусть электрон инжектируют в двухполяризационный лазерный луч радиуса r₀ 100 мкм и скорость V₀ 10⁹ см/с. Тогда из (1) и (2) следует, что разность частот составляющих полей должна быть (₁-₂)~10¹¹Гц (сами же частоты _1,2~10¹⁴Гц, что соответствует лазерному излучению на длине волны ~1 мкм). При этом, как следует из (4), разброс моментов инжекции t_in 10^-11c, что существенно превышает длительность оптического периода лазерного излучения: t_in/T₀~ 10 ³-10⁴. Это означает снижение на 3-4 порядка требований к точности момента инжекции электронного пучка в лазерный луч, что позволяет практически реализовать синхронную инжекцию электронов. Если же инжекцию осуществляют в произвольные моменты времени, то предлагаемый способ и устройство обеспечивают существенное увеличение длины z пространственной модуляции электронного пучка. В рассмотренном выше примере z 100 мкм, т.е. гораздо больше, чем z 0,03 мкм в прототипе [3].

Таким образом, предложен способ лазерного ускорения электронов и устройство для его осуществления, характеризующиеся по сравнению с известными более эффективным преобразованием лазерной энергии в кинетическую энергию электронного пучка без его существенной пространственной модуляции.

Литература:

1. T. Tajima, J.M. Dawson. Laser electron accelerator. Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979).

2. C.E. Clayton, K.A. Marsh, A. Dyson, M. Everett, A. Lal, W.P. Leemans, R. Williams, C. Joshi. Ultrahighgradient acceleration of injected electrons by laser-excited relativistic electron plasma waves. Phys. Rev. Lett. 70, 37 (1993).

3. Y.C. Huang, R.L. Byer. A proposed high-gradient laser-driven electron accelerator using crossed cylindrical laser focusing. Appl. Phys. Lett. 70, 2175 (1996) (прототип).

4. V.D. Taranukhin. Relativistic ponderomotive forces in electromagnetic field of arbitrary strength. 8^th International Laser Physics Workshop LPhys"99 (Budapest, Hungary, July 2-6, 1999). Book of Abstracts, pp. 104-105.

5. Ф. Цернике, Дж. Мидвинтер. Прикладная нелинейная оптика. Москва, Мир, 1976 (глава 7).

6. E. Constant, V.D. Taranukhin, A. Stolow, P.B. Corkum. Methods for the measurement of the duration of high-harmonic pulses. Phys. Rev., A 56, 3870 (1997).