Обзор источников ионов с лазерным ускорением и их применений

В течение многих лет предлагалось лазерное ускорение ионов, главным образом протонов, и был проведён ряд экспериментов, подтверждающих принципиальную осуществимость этого подхода, с использованием лазеров длительностью импульса в наносекундном диапазоне. В 1990-х годах ускорение ионов в релятивистской плазме было продемонстрировано с помощью лазеров со сверхкороткими импульсами, основанных на методе усиления чирпированных импульсов, который обеспечивает не только длительность лазерного импульса в пикосекундном или фемтосекундном диапазоне, но и одновременно сверхвысокую пиковую мощность от тераваттного до петаваттного уровня. Начиная с 2000 года несколько групп продемонстрировали протонные пучки с низкой поперечной эмиттансностью, энергией в десятки МэВ и эффективностью преобразования до нескольких процентов. Лазерно-ускоренные пучки частиц имеют длительность у источника порядка нескольких пикосекунд, сверхвысокий пиковый ток и широкий энергетический спектр, что делает их пригодными для многих применений, включая ряд уникальных. В данной статье рассматриваются, во-первых, исторические предпосылки, включая ранние исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом и ускорения энергичных ионов, имеющие отношение к инерциальному термоядерному синтезу. Во-вторых, описываются несколько реализованных и предложенных механизмов ускорения протонов и/или ионов под действием сверхкоротких лазерных импульсов высокой интенсивности. Особое внимание уделяется относительно простым моделям нескольких режимов ускорения. Эти модели связывают параметры лазера, плазмы и протонного/ионного пучка и предсказывают такие важные характеристики, как форма энергетического спектра, оптимальные условия и зависимости масштабирования в этих условиях для достижения максимальной энергии ионов, эффективности преобразования и т. д. Модели также указывают возможные способы управления протонными/ионными пучками посредством подбора мишени и условий облучения. В-третьих, рассматриваются экспериментальные результаты по ускорению протонов/ионов, начиная с описания ускоряющих лазеров. Приводятся экспериментальные результаты, демонстрируются общие тенденции зависимостей параметров и проводится их сравнение с теоретическими предсказаниями и результатами моделирования. Четвёртая тема включает обзор sc…