Лазерное ускорение ионов

Ла́зерное ускоре́ние ио́нов — процесс ускорения ионного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Обычно процесс ускорения производится при облучении твердотельной мишени, однако существуют схемы ускорения ионов и в газовых мишенях. Наиболее перспективными считаются схемы ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов и световым давлением. При помощи лазерного излучения были получены ионы с энергиями до 55 МэВ.

Ускорение приповерхностным слоем нагретых электронов

Впервые ионы, ускоренные лазерным излучением, наблюдались экспериментально в 1999 году на лазерной установке Nova в Ливерморской национальной лаборатории. При облучении твердотельной мишени лазерным импульсом интенсивностью 10²⁰ Вт/см² с обратной стороны мишени наблюдалась генерация энергичных ионов, имеющих квазитепловой разброс по энергиям с максимальной энергией около 55 МэВ^[1].

Это явление было объяснено механизмом так называемого ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов. Его суть заключается в том, что лазерный импульс при взаимодействии с мишенью ионизирует её вещество с образованием плазмы высокой плотности. При этом происходит разогрев электронов образовавшейся плазмы до релятивистских температур, сопровождающийся разлётом образовавшегося облака электронов далеко за пределы мишени. Разлёт приводит к появлению электростатического поля разделения зарядов, которое в свою очередь ускоряет ионы.

Для получения квазимоноэнергетических спектров ускоренных ионов было предложено использование композитных мишеней, представляющих собой тонкие фольги из тяжёлого металла (золота, платины и т. п.) с нанесённым на поверхность ультратонким слоем лёгких атомов — водорода или углерода. В процессе взаимодействия тяжёлые ионы остаются практически неподвижными, в то время как более лёгкие эффективно ускоряются, образуя пучок ионов приблизительно равной энергии.

Ускорение световым давлением

Альтернативной схемой ускорения является ускорение световым давлением^[2]. Её идея заключается в том, что при облучении сверхтонкой (порядка 10 нм) фольги, состоящей из лёгких элементов (например, водорода и/или углерода), световое давление, оказываемое сфокусированными лазерными импульсами мощностью более 10 ТВт, может оказаться достаточным для эффективного ускорения мишени как целого. Данный метод, предложенный в 2004 году^[3], был реализован экспериментально только в 2009 году. В эксперименте, проведённом в Институте Макса Борна, использовался лазерный импульс мощностью 20 ТВт с высоким контрастом, облучавший углеродные плёнки, толщина которых варьировалась от 2,9 нм до 40 нм. Оптимальный результат получился для плёнки толщиной 5,3 нм: были зарегистрированы шестизарядные ионы углерода, имевшие энергию около 30 МэВ^[4].