О разработке и создании фемтосекундного лазерного модуля…
5
равной групповой скорости лазерного импульса в плазме и близкой к
скорости света, то электроны, оказавшиеся в фазе ускорения и движу-
щиеся с релятивистской скоростью в направлении распространения ла-
зерного импульса, могут оставаться в ускорительной фазе относительно
длительное время, приобретая тем самым значительную энергию.
Ускорение протонов и легких ионов лазерным импульсом начали
исследовать позднее, чем ускорение электронов. При взаимодействии
лазерного излучения с поверхностью мишени происходит эффектив-
ный (энергетический КПД ~40…50 %) нагрев электронов [16], кото-
рые разлетаются во все стороны и могут пройти сквозь мишень и вы-
лететь с ее обратной стороны. Эти электроны образуют отрицательно
заряженное облако в приповерхностном слое, создавая квазистацио-
нарное электрическое поле (схема TNSA — Target Normal Sheath Ac-
celeration) [16]. Таким образом, имеется разность потенциалов, кото-
рая способна ускорять протоны и другие легкие ионы из мишени.
Первоначальные эксперименты, проводившиеся по этой схеме, дава-
ли в результате широкие квазитепловые распределения ускоренных
ионов по энергиям, в то время как большинство приложений требует
моноэнергетичности получаемых пучков. Для решения этой пробле-
мы предложено использовать металлические фольги с органическим
покрытием, содержащим протоны и легкие ионы, на задней стороне
фольги [17]. При формировании ускоряющего потенциала в первую
очередь происходит ускорение легких ионов, в то время как тяжелые
ионы фольги за время действия лазерного импульса практически не
смещаются. При этом, поскольку ускоряемые ионы изначально нахо-
дятся практически в одинаковых условиях, их динамика слабо разли-
чается, что в результате приводит к моноэнергетичности их спектра.
В экспериментах был получен пучок протонов с энергиями порядка
(1,2 ± 0,3) МэВ, т. е. разброс составил около 25 %.
При большой интенсивности излучения (~10
23
Вт/см
2
) более эф-
фективна схема ускорения световым давлением [18]. Вследствие эф-
фекта Доплера отраженный импульс имеет значительно меньшую
частоту, чем падающий, поэтому при релятивистских скоростях слою
может быть передано практически 100 % энергии падающего излуче-
ния. Для гауссова импульса длительностью 25 фс и максимальной
интенсивностью 1,37
10
23
Вт/см
2
оценка дает
E
i
кин
30 ГэВ для
фольги толщиной 1 мкм с плотностью электронов 10
22
см
–3
. Однако
режим ускорения световым давлением пока мало исследован экспе-
риментально, поскольку требует достаточно высокой интенсивности
излучения.
На похожем принципе основана схема ускорения легких ионов
пондеромоторно отжатыми электронами: в тонком слое тяжелого ме-
талла создается поле разделения зарядов за счет отжатия электронов
к задней границе мишени пондеромоторными силами [19]. При этом
необходимо создать максимально возможный перепад потенциала,
который и используется для ускорения легких ионов, пролетающих
