16.05.2025

Физики МГУ научились ускорять пучки электронов с высокой точностью

В МГУ разработали революционный метод управления лазерно-плазменным ускорением электронов

Ученые кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ представили революционный подход к управлению энергией электронных пучков в лазерно-плазменных ускорителях. В работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, описана новая технология, позволяющая динамически перестраивать энергию электронов с высокой точностью. Открытие поможет в медицине и промышленности.

Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 22-79-10087 на оборудовании, приобретенном при поддержке национального проекта «Наука и университеты».

Электронные пучки высокой энергии используются в медицине (например, для лучевой терапии), в науке (в синхротронах и рентгеновских лазерах на свободных электронах) и в промышленности. Однако традиционные ускорители, основанные на радиочастотных резонаторах, занимают огромные пространства (как, например, трехкилометровый линейный ускоритель в Стэнфорде).

Решением этой проблемы являются новые лазерно-плазменные ускорители электронов, позволяющие достигать мегаэлектронвольтных энергий электронов в плазме длиной около сотни микрометров, а энергий в единицы гигаэлектронвольт — в плазменном канале длиной в несколько сантиметров. Такая компактность связана с тем, что плазма как ионизированная среда может выдерживать огромные электрические поля — в тысячи раз больше, чем традиционные ускорители. Такие поля создаются сверхкоротким лазерным импульсом: мощный фемтосекундный лазерный импульс, распространяясь сквозь плазму, «расталкивает» электроны, создавая волну электронной плотности (как корабль, оставляющий кильватерный след на воде). В этой волне возникают сильные электрические поля (до 100 ГВ/м), которые и разгоняют электроны до релятивистских скоростей.

«Это как серфинг электронов: лазер создаёт волну плазмы, а электроны ловят её, разгоняясь до релятивистских скоростей», — добавила студентка магистратуры физического факультета МГУ Екатерина Стародубцева. 

Ученые экспериментально реализовали и исследовали в численном эксперименте оригинальный способ управления длиной ускорения электронов в плазме — оказалось, что можно резко прерывать такой процесс. Для этого используется дополнительный лазерный импульс для создания ударной волны в газовой струе, перпендикулярный направлению ускорения. За фронтом ударной волны концентрация плазмы резко падает, и процесс ускорения прекращается. При этом удаётся сформировать электронный импульс с малой угловой расходимостью и узким энергетическим спектром, а также избежать ухудшения качества пучка из-за эффекта дефазировки.

«Наш метод впервые позволяет не просто ускорять электроны, а точно "настраивать" их энергию прямо в процессе эксперимента. Это открывает путь к созданию принципиально новых регулируемых источников частиц», — прокомментировал сотрудник кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ Иван Цымбалов.

Эксперименты проведены на компактном тераваттном фемтосекундном лазерном комплексе, функционирующем в Корпусе нелинейной оптики МГУ. Авторами работы была впервые продемонстрирована экспериментальная реализация перестраиваемого по энергии электронного пучка в диапазоне от 6 до 12 МэВ с узким спектром и малой угловой расходимостью. Численное моделирование методом крупных частиц позволило выявить и объяснить ключевые эффекты, определяющие энергетический и угловой спектры электронов. Работа выполнена в тесной кооперации с учеными НИЯУ МИФИ и ИПМ РАН.

Новая технология открывает совершенно новые перспективы для: медицины (адаптивная лучевая терапия с точной подстройкой под глубину опухоли); рентгеновских источников (генерация монохроматического излучения с регулируемой энергией); фемтосекундной дифракции (изучение сверхбыстрых процессов в материалах с переменной энергией зондирования).

«Разработанный нами метод управления электронным пучком может применяться не только для практических задач, использующих настольные лазерные системы, но и для фундаментальных исследований на петаваттных установках (например, установка PEARL ИПФ РАН) и установках класса мегасайенс (например, XCELS — Exawatt Center for Extreme Light Studies, планируемый к созданию в Национальном Центре Физики и Математики в г. Сарове)», — отметил профессор кафедры общей физики и волновых процессов физфака МГУ Андрей Савельев-Трофимов.

В дальнейшие планы исследований входит масштабирование данной технологии для реализации перестраивания по энергии пучка электронов в существенно большем диапазоне — в единицы-десятки МэВ, а также улучшение качества пучка — будет достигнута хорошая коллимация пучка и достаточно большой заряд, что является важным шагом к интеграции системы в промышленное и медицинское оборудование.

Источник: Пресс-служба МГУ