Hola, me llamo Alexander y soy físico. Desde el exterior, esto puede sonar como un veredicto, pero de hecho lo es. Resultó que estoy haciendo una investigación fundamental en física, a saber, el estudio de partículas cargadas aceleradas: los protones y todos esos más grandes son iones positivos, es decir. En los estudios, no uso aceleradores grandes como los LHC, pero disparo a la lámina con un láser, y un impulso de protones sale volando de la lámina.

Ahora unas pocas palabras sobre mí. Me gradué de la facultad de fotónica y optoinformática de ITMO en San Petersburgo, luego fui a una magistratura en la Universidad de Aalto (esto es en Finlandia) en dirección a micro y nanotecnología, y luego escupí todas estas pequeñas cosas, microscopios y especialmente en una sala limpia. Y entré en la ciencia fundamental con grandes láseres. Ahora trabajo en una escuela de posgrado en el suroeste de Suecia en la ciudad de Lund en la universidad del mismo nombre. Se trata de la distancia de un disparo de cañón desde Copenhague.

Tan acelerado, así voló

Los aceleradores de partículas cargadas en sí mismos no son una idea nueva, pero el método por el cual los acelero es relativamente reciente, aproximadamente de la misma edad que yo. Le permite reducir significativamente el tamaño del acelerador y su costo, incluido el costo de trabajo y mantenimiento. La diferencia entre los dos tipos se puede estimar en la imagen a continuación.

A la izquierda hay un acelerador lineal electrostático (ligeramente desmontado); A la derecha está mi pequeño pero orgulloso creador de agujeros de aluminio.

Comparemos estos dos patrones de sombrío genio físico con más detalle. Mire el acelerador izquierdo y el derecho, luego nuevamente a la izquierda y nuevamente a la derecha: sí, el mío está en un caballo (una broma - comentario del autor). De hecho, el mío tiene solo un metro de diámetro, y los protones se aceleran a partir de un trozo de papel de aluminio. Su soporte se encuentra exactamente en el medio del círculo, con una hermosa falda de cobre. Es mucho más simple y compacto que la muestra de la izquierda, que es del tamaño de un autobús y además está lleno de gas asfixiante. Entonces, habiéndose afirmado en abundancia (a menudo sucede en física que cuanto más pequeño, mejor), uno puede recurrir a la física del proceso de aceleración.

Como aceleramos las partículas cargadas, lo más lógico es hacer esto con un campo eléctrico. El campo lo caracterizaremos por tensión. Para aquellos que fueron al frente y al fondo después de la escuela, permítanme recordarles: la fuerza del campo eléctrico es una cantidad física vectorial que caracteriza el campo eléctrico en un punto dado y numéricamente igual a la relación de la fuerza que actúa sobre una carga de punto fijo colocada en un punto dado en el campo, La magnitud de esta carga (copiar y pegar sucio de Wikipedia). Tiene una dimensión de V / m. Volviendo a la comparación, el acelerador de la izquierda acelera los protones a 4 MeV (Megaelectron-voltios), es decir 2.77 * 10 ⁷ m / so 9.2% de la velocidad de la luz. Como la carga de protones es 1 y la longitud del acelerador es de dos metros, la intensidad de campo será de 2 MV / m. Aquí asumimos que en todos los lugares el campo se dirige en una dirección y, en general, estaban muy cerca de la verdad. Un acelerador elegante tiene una intensidad de campo del orden de varios TV / m, es decir, aproximadamente un millón de veces más. Aún así, vale la pena reconocer que su longitud es de solo unas pocas micras.

Entonces, en este punto, hemos descubierto qué campo es más pronunciado. Es hora de recurrir a los mecanismos físicos y de ingeniería que crea este campo. En el caso de un acelerador convencional, hay dos láminas de metal, una de las cuales está cargada negativamente y la segunda de ninguna manera. Recuerde el experimento escolar sobre frotar un palo de ebonita con un trozo de lana. Aquí el principio es exactamente el mismo, pero la ejecución es mucho más complicada. Si acelera los protones de la lámina, entonces el campo es creado por electrones, los electrones salen del plasma caliente, el plasma es obtenido y calentado por un láser, y sobre todo esto el resto de la publicación.

¿Quieres que lo golpee y él se convierta en púrpura en una mota?

Si golpeas lo suficiente, puedes ver muchos fenómenos físicos maravillosos. Así es como los chicos de Harvard obtuvieron hidrógeno metálico, y luego lo perdieron.

En mi caso, disparo la lámina con un láser. Lo describiré con más detalle después de explicar la física no trivial de los procesos de obtención de materia cálida y densa, que es exactamente el nombre del plasma en términos científicos, que es responsable del triunfo de la aceleración de mis protones. Y ahora, lo primero es lo primero.

El láser genera pulsos con una longitud de onda de 800 nm y 35 fs durante una duración ( ^10-15 s), es decir, la longitud real del pulso en el vacío es de aproximadamente 10 μm. Alrededor de 2 J de energía son empujados a este impulso, y eso es mucho. Si tomamos este impulso y lo enfocamos en una lámina en un lugar redondo y limpio de 5 micras de diámetro, entonces la intensidad será del orden de 10 ²⁰ W / cm ² . Esto es indecente mucho. Una vez más, algunas pequeñas comparaciones: el acero se puede cortar fácilmente a una intensidad de 10 ⁸ W / cm ² (más o menos).

De hecho, debido a las características de diseño del amplificador, el pulso láser tiene un pedestal precedente que dura aproximadamente 500 ps, y este pedestal ayuda enormemente a acelerar bien los protones.

Ionizado - significa armado

Recuerde lo que le sucede a la luz cuando ingresa a una sustancia. La energía debe conservarse, lo que significa que solo hay tres variantes de eventos: reflexión, transmisión y absorción. En la vida dura, todo lo anterior está presente a la vez. En una etapa muy temprana, estamos interesados en la absorción.

Entonces, tenemos un pedestal, que también nos enfocamos perfectamente en un pedazo de papel de aluminio, y se absorbe perfectamente allí. Para no entrar en la complejidad de la física del estado sólido, consideramos la absorción de un átomo independiente. Por la mecánica cuántica sabemos que solo se puede absorber un fotón, cuya energía es exactamente igual a la energía de la transición de un electrón de un estado a otro. Si la energía del fotón es mayor que la energía de ionización (es decir, enviar un electrón desde el nido de los padres a un viaje libre), el exceso irá a la energía cinética del electrón, todo es simple. En nuestro caso, los fotones con una longitud de onda de 800 nm no tienen suficiente energía (¡esta es la energía de un fotón, no todo el pulso!) Para ionizar el objetivo, pero aquí la física nos ayuda. ¿Recuerdas que mencioné una mayor intensidad de radiación? Si, como apéndice, aún recordamos que la luz puede representarse como un flujo de fotones, y la intensidad es directamente proporcional a ella, entonces resulta que el flujo de fotones es muy grande. Y si el flujo es tan grande, entonces es probable que varios fotones lleguen al mismo lugar y al mismo tiempo, y cuando su energía sea absorbida se acumularán, y la ionización seguirá ocurriendo. Curiosamente, este fenómeno se llama ionización multiphoton, y lo usamos regularmente.

Por el momento, tenemos que los electrones se han desprendido con éxito, lo que significa que el pulso principal llega al plasma terminado y comienza a calentarlo.

Fundamentos de la física del plasma (no se me ocurrió una broma, ah)

Antes de calentar, vale la pena hablar un poco sobre el plasma como un estado de la materia. Plasma, es como un gas, solo los electrones están separados y los núcleos están separados. Consideraremos nuestro plasma como un gas casi ideal, pero que consiste en electrones.

Nuestra característica principal de un plasma será su densidad (el número de electrones por unidad de volumen), este valor se indicará con $ n_e $ (¡no debe confundirse con el índice de refracción!), Y la temperatura de estos mismos electrones, es decir, su velocidad promedio. La distribución de Boltzmann describe esto de la misma manera que en el curso de física de la escuela:

$$ display $$ \ frac {m_e v ^ 2} {2} = \ frac {1} {2} k_B T_e, $$ display $$

donde fácilmente sigue

$$ display $$ \ langle v \ rangle = \ sqrt [] {k_B T_e / m_e}, $$ display $$

donde

$ en línea $ k_B $ en línea $ - constante de Boltzmann

$ en línea $ T_e $ en línea $ Es la temperatura del electrón, y

$ en línea $ m_e $ en línea $ Es la masa del electrón. Sí, aquí consideramos un caso unidimensional, pero en realidad no necesitamos más para describir nuestros procesos, de hecho.

Ahora aplicamos un campo eléctrico al plasma ya descrito. Permítame recordarle que el plasma consiste en partículas cargadas, lo que significa que a una densidad dada a una cierta distancia del lugar donde aplicamos el campo, los electrones oscurecerán (protegerán) la fuente (una multitud de pequeños Matrosovs - nota del autor). La distancia necesaria para esto se llama la longitud de Debye y está dada por la ecuación

$$ display $$ \ lambda_D = \ sqrt [] {\ frac {\ epsilon_0 k_B T_e} {q ^ 2_e n_e}}. $$ display $$

Aqui

$ en línea $ q_e $ en línea $ obviamente la carga de un electrón, y

$ en línea $ \ epsilon_0 $ en línea $ - constante dieléctrica del vacío, una constante tan fundamental. Analizamos un poco esta fórmula para ver la física simple del proceso. Al aumentar la densidad de los electrones, reducimos la distancia promedio entre ellos, como resultado, para una distancia menor, recolectamos suficientes electrones para proteger completamente nuestro campo. Por otro lado, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la distancia promedio entre los electrones.

Debido al efecto de detección y una temperatura media de electrones bien definida (dependiendo de la temperatura), el plasma no reacciona instantáneamente a un campo que llega repentinamente. Es lógico suponer que el tiempo de respuesta está relacionado con la longitud de Debye y la velocidad de los electrones. Una buena analogía es tirar una piedra a un lago. En comparación con un lago entero, la piedra actúa sobre la superficie del agua puntiaguda. Parte del agua cambia de inmediato (aquí es donde cayó), y luego las olas comienzan a extenderse a través de la superficie del agua. En el caso del plasma, un campo eléctrico que aparece repentinamente es una piedra. El tamaño del penacho está determinado por la longitud del blindaje (el campo no actúa más allá), y la propagación de las ondas depende de qué tan cerca estén los electrones entre sí. Podemos introducir una característica como el tiempo de respuesta del plasma:

$ en línea $ t_D = \ lambda_D / v $ en línea $ . En general, nos muestra el tiempo durante el cual la información sobre un cambio en el campo aplicado llegará a aquellos electrones que, por así decirlo, no lo vieron.

Como somos físicos, no nos gusta mucho el tiempo. Es mucho más conveniente trabajar con frecuencias, por lo que presentamos el concepto de la frecuencia natural de un plasma. Este valor nos mostrará con qué frecuencia podemos cambiar el campo para que toda la acumulación de electrones, que orgullosamente llamamos plasma, tenga tiempo de responder a estos cambios. Bueno, ¿qué podría ser más fácil? Divida la unidad por el tiempo de respuesta, y aquí está: la frecuencia:

$$ display $$ \ omega_p = \ frac {1} {t_D} = \ sqrt [] {\ frac {q ^ 2_e n_e} {\ epsilon_0 m_e}}. $$ display $$

Es fácil ver que la frecuencia propia de las oscilaciones del plasma depende de la densidad electrónica. Cuantos más electrones, mayor es la frecuencia. Puedes dibujar otra analogía, pero esta vez con un péndulo de resorte. La alta densidad de electrones nos dice que están más cerca el uno del otro, lo que significa que interactúan más fuertemente. Suponemos que su interacción en proporción directa está asociada con la elasticidad elástica del péndulo. Y cuanto mayor es la elasticidad, mayor es la frecuencia de oscilación.

La frecuencia natural de un plasma también determina su índice de refracción. Para ser sincero, escribimos la ecuación de onda del movimiento colectivo de electrones en un plasma, y luego asumimos pequeños cambios en la densidad de electrones (no haremos esto aquí porque es aburrido), luego establecemos el índice de refracción de la siguiente manera:

$$ display $$ \ eta = \ sqrt [] {1- \ frac {\ omega ^ 2_p} {\ omega ^ 2_0}}. $$ display $$

Aqui

$ en línea $ \ omega_0 $ en línea $ Es la frecuencia circular del campo eléctrico aplicado. Ella está en rad / sy no en Hz!

Observamos cuidadosamente esta expresión. Como físico experimental, no bebo almas en números reales, pero trato de ignorar las complejas, especialmente el índice de refracción complejo. Bueno, ¿cómo puede la luz, al final, propagarse en materia i veces más lenta que en el vacío? ¡Esto es una especie de tontería! En realidad no, pero más sobre eso en otra ocasión. Si

$ en línea $ \ omega_0> \ omega_p $ en línea $ , entonces la expresión tiene un significado real, y un campo eléctrico alterno se propaga dentro de nuestro plasma. Todos están contentos, y llamaremos a ese plasma insuficientemente denso. Sin embargo, si

$ en línea $ \ omega_0 <\ omega_p $ en línea $ , entonces el índice de refracción se vuelve no solo complejo, sino completamente imaginario. En este caso (y no solo porque yo quisiera) la onda no se propagará allí en absoluto, sino que se reflejará inmediatamente sin pérdida. Este es un plasma demasiado denso. Un fenómeno muy bueno, por cierto. Se llama espejo de plasma.

Y como postre

$ en línea $ \ omega_0 = \ omega_p $ en línea $ . Este es un plasma de densidad crítica. En este caso, comienza a entrar en resonancia con un campo eléctrico alterno forzado (suministrado por nosotros). Para un caso tan especial, incluso puede introducir el concepto de densidad crítica y definirlo así:

$$ display $$ n_c = \ frac {\ epsilon_0 m_e \ omega ^ 2_0} {q ^ 2_e}. $$ display $$

Naturalmente, la densidad crítica es diferente para cada frecuencia del campo forzado.

SHOCK! ¡Calefacción de plasma! Para hacer esto, solo ...

En nuestro caso, nos centraremos solo en un mecanismo de calentamiento, que prevalece en el experimento.

Para empezar, deje que el plasma que formamos por el pedestal tenga un gradiente de densidad suave, en este caso tenemos calentamiento por absorción de resonancia. Una ilustración de esto en la imagen a continuación.

Ilustración del proceso de absorción de resonancia: a) distribución de densidad electrónica cerca del frente del objetivo; b) refracción de un rayo láser en un plasma con un gradiente de densidad; c) el campo eléctrico en el plasma

Entonces, el láser brilla en nuestro plasma en un ángulo, bueno, déjelo estar a 45 grados, y al mismo tiempo está polarizado en el plano de incidencia. La polarización se indica mediante flechas rojas en la figura. Nuestro plasma tiene un gradiente de densidad, lo que significa que su índice de refracción cambia constantemente (aquí está creciendo). En algún momento, sucederá que una determinada capa de plasma para nuestro láser se vuelva "rotativa" y se refleje, es decir, durante algún tiempo se propagará paralela a la capa crítica. Es importante tener en cuenta que girará antes de que alcance la capa de densidad crítica, ya que la lanzamos en un ángulo de lo normal. La densidad del plasma a la que gira el rayo láser viene dada por esta ecuación:

$$ display $$ n_t = n_c \ cos ^ 2 \ alpha, $$ display $$

donde

$ en línea $ n_c $ en línea $ Es la densidad crítica, y

$ en línea $ \ alpha $ en línea $ - ángulo de incidencia de la luz.

Ahora comienza la diversión. Recuerde que la luz no es solo un flujo de fotones, sino también una onda electromagnética, es decir, nuestro impulso tiene un campo eléctrico que oscila armoniosamente con una gran amplitud. Cuando la luz se propaga paralela a la capa crítica, se forma una onda estacionaria, que no cambia con el tiempo (naturalmente, siempre que el pulso láser esté en su lugar). El campo de esta onda, de hecho, penetra más allá de la capa de plasma donde la luz ha girado y llega a la capa crítica. Permítame recordarle que la frecuencia de las oscilaciones de plasma en la capa crítica es la misma que la frecuencia de la radiación láser, lo que significa que se produce resonancia. Cuando el láser dejó de brillar, la energía que comunicaba a los electrones en la capa crítica se distribuye a través de impactos a los otros electrones, lo que significa que el plasma se calienta.

Entonces, ¿dónde está, de hecho, la aceleración?

Ahora que hemos calentado los electrones en el pozo de plasma y que el láser ya no está brillando, podemos decir cómo se aceleran los protones. Para hacer esto, mira las imágenes a continuación. Hasta este punto, nunca dije de dónde vienen los protones. Naturalmente, no aparecen de los núcleos del material de aluminio. Como no estamos muy limpios y no usamos guantes (las manos sudan mucho en ellos), el agua y los hidrocarburos están en la superficie de la lámina. El hidrógeno ionizado es nuestra fuente invaluable de protones. Comprobado: si elimina la contaminación, entonces no habrá protones.

	La formación de plasma por un pedestal, es decir, la ionización del frente del objetivo. El objetivo generalmente se utiliza papel de aluminio con un grosor de 0,4 a 12 micras.
	Aquí, la parte principal del pulso interactúa con el plasma creado y lo calienta. Algunos electrones se calentaron tan bien que salieron volando desde la parte posterior del objetivo.
	Cuando una gran cantidad de electrones salen volando, la carga positiva restante en la lámina los tira hacia atrás. En el plasma, nuevamente se calientan y salen volando. Por un tiempo, se establece un equilibrio dinámico. El campo eléctrico se dirige perpendicular al objetivo.
	Este campo muy eléctrico separa los protones y otros iones (dependiendo de lo que haya allí) de la superficie posterior del objetivo, y luego los acelera. Para cuando los iones se han acelerado, la nube de electrones ya se está desmoronando y todas las partículas comienzan a volar más juntas. Y luego comenzamos a creer que ya no interactúan.

Divide y vencerás

Por el momento, la posición es la siguiente: el láser no ha estado brillando durante mucho tiempo, hay un agujero en la lámina, los protones con electrones son amigables volando desde el objetivo normalmente a su superficie trasera. No necesitamos electrones en absoluto, es por eso que un imán viene en nuestra ayuda. Cuando un haz de partículas cargadas vuela a través de un campo magnético, las fuerzas de Lorentz de cada partícula se desvían en proporción a su velocidad y carga. En consecuencia, los protones y los electrones se desviarán en diferentes direcciones, y simplemente no miraremos en la dirección de los electrones. Por cierto, cuanto mayor sea la energía del protón (es decir, su velocidad), menos se desviará. Esto significa que al colocar una pantalla sensible a los protones, podemos ver las energías de los protones acelerados. Algunas comparaciones más en números: un imán que permanece con nosotros permanentemente y crea un campo de aproximadamente 0,75 T; En los dispositivos de resonancia magnética, el campo magnético es 1.5 - 3 T.

Además, podemos ver el perfil de un haz de protones voladores. Es redondo, por cierto. Y si también podemos medir la energía protónica en cada parte del haz, podemos restaurar de forma única la forma de la nube de electrones, que aceleró nuestros protones.

En lugar de una conclusión

Puede surgir una pregunta justa, por qué todo esto es necesario. Mi respuesta favorita es así.Esta es una ciencia fundamental, y tratar de encontrar sus aplicaciones momentáneas no tiene sentido. Quizás en unos años encuentre su aplicación en el tratamiento del cáncer o la fusión termonuclear, pero por ahora la tarea principal es aprender algo nuevo sobre el mundo que nos rodea, así de simple, porque es interesante.

Para aquellos especialmente curiosos sobre el láser en sí y su dispositivo

Como prometí, aquí hablaré sobre el láser, con la ayuda de la cual hago ciencia. Ya mencioné algunas características de nuestro láser, pero no hablé sobre la frecuencia de repetición del pulso. Es aproximadamente 80 MHz. Esta frecuencia está determinada solo por la longitud del resonador y el inverso del tiempo durante el cual la luz logra volar de un lado a otro a través del resonador. Mirando hacia el futuro, diré que no es práctico amplificar pulsos a tal frecuencia, es increíblemente difícil desde el punto de vista de la ingeniería, y no se puede ahorrar electricidad.

No voy a entrar en la teoría del láser especialmente. Los fundamentos de dónde proviene la radiación láser se presentan perfectamente en un artículo de Wikipedia sobre emisión estimulada. Si trata de ser muy breve, se necesitan tres componentes para la radiación láser: el medio activo (los fotones también salen de él), bombear (mantiene el medio activo en un estado en el que hay más átomos excitados que pueden emitir) y también un resonador ( asegura que los fotones se copien entre sí durante múltiples pases a través del medio activo). Si pone todos los componentes juntos y reza, el láser comenzará a brillar, pero continuamente. Si lo intenta de nuevo, puede hacer que genere pulsos, incluidos aquellos tan cortos como en mi instalación. Para los más curiososEl método de generar pulsos de femtosegundos se llama bloqueo en modo pasivo. Y ahora una pequeña característica de bien, pulsos muy cortos. A menudo se cree que el láser brilla a la misma longitud de onda, y en modo continuo, así como a pulsos largos, esto puede incluso llamarse verdadero. De hecho, debido a una serie de procesos físicos complejos, que ciertamente no discutiremos aquí, la forma temporal del pulso y su espectro están relacionados por la transformada de Fourier. Es decir, cuanto más corto es el pulso, más amplio es su espectro.La forma temporal del pulso y su espectro están relacionados por la transformada de Fourier. Es decir, cuanto más corto es el pulso, más amplio es su espectro.La forma temporal del pulso y su espectro están relacionados por la transformada de Fourier. Es decir, cuanto más corto es el pulso, más amplio es su espectro.

Supongamos que lanzamos un oscilador maestro, pero la energía de sus pulsos es de varios nJ. ¿Recuerdas que al principio dije que la energía en un pulso que llega a un objetivo es de aproximadamente 2 J? Entonces, esto es mil millones de veces más. Esto significa que el impulso necesita ser fortalecido, y hablaremos de esto con más detalle.

Los pulsos cortos generalmente se caracterizan por potencias pico muy grandes (recuerden, ¿comparten energía por tiempo?), Y esto tiene una serie de complicaciones. Si el medio se ilumina con radiación de alta intensidad (potencia por unidad de área), se quemará, y si se quema el medio activo, no se amplificará nada. Es por eso que elegimos una tasa de repetición de 10 Hz y los amplificamos solo. Dado que hay muchos equipos y todos funcionan a esa frecuencia, tenemos una caja especial que distribuye estos 10 Hz a todo el hierro, y para cada dispositivo puede elegir el retraso en la recepción de la señal con una precisión de unos pocos picosegundos.

Hay dos formas de lidiar con la alta intensidad. Como puede adivinar fácilmente a partir de su definición, debe aumentar el área o reducir la potencia. Con el primero, todo está muy claro, pero el segundo método fue un gran avance en la tecnología láser en el siglo XX. Si el impulso es inicialmente muy corto, puede estirarse, fortalecerse y luego comprimirse nuevamente.

Para entender cómo hacer esto, pasamos a los conceptos básicos de la óptica. Para diferentes longitudes de onda, los índices de refracción en el medio son diferentes, lo que significa (por la definición del índice de refracción, por cierto) que con un aumento en el índice de refracción disminuye la velocidad de propagación de la luz en el medio. Y entonces lanzamos nuestro impulso el miércoles, y su parte roja pasó a través del material más rápido que la azul, es decir, el impulso se hizo más largo y su potencia máxima cayó. ¡Hurra, ahora nada arde! Para obtener un conocimiento más profundo en esta área, recomiendo buscar en Google y leer sobre la amplificación de pulsos chirridos (también conocido como amplificación de pulso chirrido o CPA).

¡Todo lo que nos queda por hacer es aumentar el impulso, comprimir, enfocar y enviarlo para hacer un agujero en la lámina!

Y ahora algunas fotos con subtítulos.