Лазерный мир

Международная группа ученых, в состав которой вошли специалисты из МФТИ, ОИВТ РАН и ФИ РАН,  разработала экспериментальную схему для генерации сверхинтенсивных гамма- и нейтронных пучков при умеренных релятивистских интенсивностях лазерного излучения с высокой надежностью и рекордными значениями потоков гамма-излучения и нейтронов. В своем эксперименте ученые использовали лазер PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments — петаваттный высокоэнергетический лазер для экспериментов с тяжелыми ионами). Его мощность (1015 Вт) примерно в тысячу раз больше, чем суммарная мощность электростанций во всем мире, правда, импульс длится всего триллионную часть секунды.

Лазерное излучение воздействует двумя последовательными импульсами: первый, «предварительный» наносекундный импульс направляется в мишень из пены триацетата целлюлозы плотностью всего два мг/см3, в которой за счет ионизации атомов вещества генерируется однородная плазма. Второй, более мощный импульс пикосекундной длительности распространяется уже в созданной первым плазме, ускоряя электроны до высоких энергий. Полученная в результате этого процесса энергия электронов достигает сотни мегаэлектронвольт, что сравнимо со значениями, получаемыми на синхротронных ускорителях электронных пучков.

Далее необходимо заставить электрон «сбросить» энергию, излучив фотон с длиной волны в десятитысячные доли нанометра (10-4 нм) — тот самый гамма-квант, ради которого все и затевалось. В этом эксперименте для торможения электронов была использована тонкая золотая пластинка. Таким образом исследователям удалось получить направленные пучки гамма-излучения, содержащие триллионы квантов. В эксперименте была достигнута рекордная эффективность преобразования (более 1,4 процентов) лазерной энергии в гамма-излучение с энергией выше 10 МэВ.

Установив поодаль от основной мишени слои металлической фольги (в эксперименте использовались золото, хром тантал и индий), исследователи зарегистрировали мощное нейтронное излучение — более 60 миллиардов частиц. Нейтроны высвобождаются в ходе фотоядерной реакции при поглощении ядром металла высокоэнергетического гамма-кванта. Эффективность преобразования лазерной энергии в нейтроны составила порядка 0,05 процентов. Кроме того, причиной ядерной реакции могут стать протоны, которые также возможно ускорить с помощью лазерного излучения. В качестве источника протонов использовалась металлическая фольга, которую располагали на задней плоскости полимерной мишени. Ускоренные в полимерной мишени под воздействием лазера электроны покидали фольгу, формируя отрицательный заряд снаружи, при этом сама фольга заряжалась положительно. Возникшее между отрицательным и положительным зарядом электростатическое поле «вытягивает» из фольги протоны.

В итоге относительно недорогая и компактная лазерная установка оказалась способна в некоторых аспектах заменить собой классический радиочастотный ускоритель электронов. Полученный импульсный источник направленного рентгеновского излучения и нейтронов может быть использован во многих областях исследований — в рентгенографических и материаловедческих, в медицинских и биофизических приложениях (включая FLASH-радиотерапию), а также ядерных исследованиях.

Источник: https://naked-science.ru/article/column/razrabotan-novyj-podhod-k-polucheniyu