您好，我叫亚历山大，我是物理学家。 从外部看，这听起来像是一个判决，但实际上是这样。 事实证明，我正在从事物理学的基础研究，即研究加速带电粒子：质子和所有较大的质子都是正离子。 在研究中，我没有使用大型加速器（如LHC），而是用激光射击金属箔，并且质子动量从金属箔中飞出。



现在关于我的几句话。 我毕业于圣彼得堡的ITMO光子学和光信息学系，然后在微技术和纳米技术的方向去了阿尔托大学（在芬兰）的治安法官，然后我对所有这些小东西，显微镜，特别是在干净的房间里吐口水。 我使用大型激光器进入基础科学领域。 现在，我在瑞典西南部隆德市的同名大学的研究生院工作。 这大约是一门大炮与哥本哈根之间的距离。

加速飞

带电粒子的加速器本身并不是一个新主意，但是我加速它们的方法相对较新，大约与我的年龄相同。 它使您可以大大减少加速器的尺寸及其成本，包括工作和维护成本。 两种类型之间的差异可以在下图中估算。

左侧是静电线性加速器（已分解）； 右边是我的小而引以为傲的箔孔机

让我们更详细地比较这两种令人沮丧的物理天才模式。 看左加速器和右加速器，然后再看左加速器，再看右加速器：是的，我的骑着马（开玩笑-作者的评论）。 实际上，我的直径只有一米，质子本身会从一片箔片中加速。 它的支架正好位于圆圈的中间，穿着漂亮的铜裙。 它比左侧的样品要简单得多，也更紧凑，后者是公交车的大小，并且充满了窒息性气体。 因此，在充分发挥自己的作用（在物理学中经常发生的是，越小越好），人们可以转向加速过程的物理学。

由于我们使带电粒子加速，因此在电场下这样做是最合逻辑的。 我们将通过张力来表征这个领域。 对于那些在放学后到前端和后端去的人，让我提醒您： 电场强度是矢量物理量，用于表征给定点处的电场，并且在数值上等于作用在场中给定点上的定点电荷上的力的比率，收费的金额 （来自Wikipedia的脏复制粘贴）。 它的尺寸为V / m。 返回比较，左边的加速器将质子加速到4 MeV（兆电子伏），即2.77 * 10 ⁷ m / s或光速的9.2％。 由于质子电荷为1，加速器的长度为2米，因此场强将为2 MV / m。 在这里，我们假设场在所有地方都指向一个方向，并且通常来说非常接近真相。 时尚的加速器的场强约为数个电视/米，即约为一百万倍。 仍然值得一提的是，它的长度只有几微米。

因此，在这一点上，我们发现了谁的场更陡。 现在该转向该领域创建的物理和工程机制。 在常规加速器的情况下，有两块金属板，其中一块带负电，而第二块绝不带负电。 还记得学校关于用一块羊毛擦一个硬木棒的实验。 这里的原理是完全一样的，但是执行起来要复杂得多。 如果您从箔上加速质子，则电场是由电子产生的，电子从热等离子体中飞出，等离子体被激光获取并加热，剩下的就是这些。

您要我打他，他变成紫红色吗？

如果打得足够厉害，您会看到许多奇妙的物理现象。 哈佛大学的学生就是这样得到金属氢，然后将其丢失的。

就我而言，我用激光射击金属箔。 在解释了获取热致密物质的过程的非平凡物理学之后，我将对其进行更详细地描述，这在科学术语上正是等离子的名称，它是我的质子加速获得成功的原因。 现在，首先是第一件事。

激光在持续时间（10 ^-15 s）内产生波长为800 nm和35 fs的脉冲，也就是说，真空中的实际脉冲长度约为10μm。 大约2 J的能量被推到这个脉冲中，这很多。 如果我们采取这种冲动并将其聚焦在箔上，形成一个直径为5微米的整齐的圆形斑点，那么强度将约为10 ²⁰ W / cm ² 。 这很不雅。 再次进行一些比较：可以轻松地以10 ⁸ W / cm ² （大约）的强度切割钢。

实际上，由于放大器的设计特点，激光脉冲的前基座持续约500 ps，并且该基座极大地帮助了质子加速。

电离-意味着武装

回想一下当它进入某种物质时会发生什么。 能量必须守恒，这意味着事件只有三种变体：反射，透射和吸收。 在严酷的生活中，以上所有这些都会同时存在。 在早期，我们对吸收很感兴趣。

因此，我们有一个基座，我们也将其完美地聚焦在一块箔上，并在那里被完美吸收。 为了不涉及固态物理学的复杂性，我们考虑吸收独立原子。 从量子力学中我们知道，仅光子可以被吸收，其光子正好等于电子从一种状态到另一种状态的跃迁的能量。 如果光子能量大于电离能（也就是说，将电子从母体的巢穴发送到自由行），那么多余的能量将进入电子的动能中，一切都很简单。 在我们的情况下，波长为800 nm的光子没有足够的能量（这是一个光子的能量，而不是整个脉冲的能量！）以使目标离子化，但是在这里，物理对我们有帮助。 还记得我提到过更大的辐射强度吗？ 附带地，如果我们仍然记得光可以表示为光子通量，并且强度与光通量成正比，那么事实证明光子通量非常大。 如果通量太大，那么很可能几个光子会同时到达同一位置，并且当它们吸收能量时，它们会加起来并发生电离。 奇怪的是，这种现象称为多光子电离，我们经常使用它。

此刻，我们已经成功地将电子撕掉，这意味着主脉冲到达完成的等离子体并开始对其加热。

等离子物理学的基础知识（没讲笑话啊）

在加热之前，值得一提的是将等离子体视为物质状态。 等离子体，就像一种气体，只有电子是分开的，而原子核是分开的。 我们将等离子体视为一种几乎理想的气体，但它由电子组成。

等离子体的主要特征将是其密度（每单位体积中的电子数），该值将由$ n_e $（不要与折射率混淆！）以及这些电子的温度即平均速度表示。 玻尔兹曼分布用与学校物理课程相同的方式描述了这一点：

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

容易跟随的地方

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

在哪里$$ $内联$ k_B $内联$ -玻尔兹曼常数$$ $内联$ T_e $内联$ 是电子温度，并且$$ $内联$ m_e $内联$ 是电子的质量。 是的，这里我们考虑的是一维情况，但实际上，我们实际上不需要更多描述过程。

现在，我们向已经描述的等离子体施加电场。 让我提醒您，等离子体由带电粒子组成，这意味着在距我们施加电场的位置一定距离处的给定密度下，电子将掩盖（屏蔽）源（如成堆的Matrosovs-作者注）。 为此所需的距离称为德拜长度，由等式给出

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

在这里$$ $内联$ q_e $内联$ 显然是电子的电荷$$ $内联$ \ epsilon_0 $内联$ -真空的介电常数，例如基本常数。 我们对此公式进行了一些分析，以了解该过程的简单物理原理。 增加电子的密度，我们减小了它们之间的平均距离，结果，对于更小的距离，我们收集了足够的电子以完全屏蔽电场。 另一方面，温度越高，电子之间的平均距离越大。

由于屏蔽效应和明确定义的电子平均温度（取决于温度），等离子体不会立即对突然到达的电场作出反应。 合理地假设响应时间与德拜长度和电子速度有关。 一个很好的类比是在湖上扔石头。 与整个湖泊相比，石头是逐点作用在水面上的。 一部分水立即发生变化（这是它掉落的地方），然后海浪开始在水面传播。 在等离子体的情况下，突然出现的电场就是一块石头。 羽流的大小取决于屏幕的长度（电场不会超出屏幕），并且波的传播取决于电子彼此之间的距离。 我们可以引入等离子体响应时间这样的特性：

$$$ inline $ t_D = \ lambda_D / v $ inline $ 。 总的来说，它向我们展示了一段时间，在这段时间内，有关施加电场变化的信息将到达那些实际上看不到的电子。

由于我们是物理学家，所以我们并不真正喜欢时间。 使用频率要方便得多，因此我们介绍了等离子体的固有频率的概念。 该值将向我们显示我们可以多久更改一次场，以便使整个电子积累（我们自豪地称为等离子体）有时间对这些变化做出响应。 好吧，还有什么会更容易？ 用单位除以响应时间，这里是-频率：

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

不难看出，等离子体振荡的本征频率取决于电子密度。 电子越多，频率越高。 您可以得出另一个类比，但这一次是弹簧摆。 高电子密度告诉我们它们彼此更靠近，这意味着它们相互作用更强。 我们假设它们的相互作用成正比，与摆的弹簧弹性有关。 弹性越大，振荡频率越高。

等离子体的固有频率也决定其折射率。 老实说，我们写一个等离子体中电子的集体运动的波动方程，然后假设电子密度发生微小变化（因为它很无聊，所以我们在这里不这样做），然后将折射率设置如下：

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

在这里$$ $内联$ \ omega_0 $内联$ 是施加电场的圆周频率。 她的单位是rad / s，而不是Hz！

我们仔细看一下这个表达。 作为实验物理学家，我不喝实物，但我试图忽略复杂的灵魂，尤其是复杂的折射率。 那么，光最终如何在比真空中慢一倍的物质中传播？ 这是胡说八道！ 并非如此，但下次会更多。 如果$$ $ inline $ \ omega_0> \ omega_p $ inline $ ，则该表达式具有实际含义，并且交变电场在我们的等离子体内部传播。 每个人都很高兴，我们将这种等离子体称为密度不足。 但是，如果$$ $内联$ \ omega_0 <\ omega_p $内联$ ，那么折射率不仅变得复杂，而且变得完全虚构。 在这种情况下（不仅仅是因为我如此想要），波根本不会在那里传播，而是会立即反射而不会造成损失。 这太稠密的等离子体。 顺便说一句，这是一个很酷的现象。 它称为等离子镜。

并作为甜点$$ $内联$ \ omega_0 = \ omega_p $内联$ 。 这是临界密度的等离子体。 在这种情况下，它在强制电场（由我们提供）的交变电场下开始共振。 对于这种特殊情况，您甚至可以引入临界密度的概念并按如下方式定义它：

$$$$显示$$ n_c = \ frac {\ epsilon_0 m_e \ omega ^ 2_0} {q ^ 2_e}。 $$显示$$

自然地，对于强迫场的每个频率，临界密度是不同的。

震撼！ 等离子加热！ 为此，仅...

在我们的案例中，我们将仅关注实验中普遍存在的一种加热机制。

首先，让由基座形成的等离子体具有平滑的密度梯度，在这种情况下，我们通过共振吸收进行加热。 下图对此进行了说明。


共振吸收过程的图示：a）在靶的前部附近的电子密度分布； b）激光束在等离子体中具有密度梯度的折射； c）等离子体中的电场

因此，激光束以45度角照射在我们的等离子体上，同时在入射平面中被偏振。 极化由图中的红色箭头指示。 我们的等离子体具有密度梯度，这意味着其折射率不断变化（在此不断增长）。 在某个时刻，激光的某个等离子体层会发生“旋转”，并且会反射，也就是说，一段时间后，它将平行于临界层传播。 重要的是要注意，由于它是与法线成一定角度发射的，因此它将在到达临界密度层之前转动。 激光束旋转时的等离子体密度由以下公式给出：

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

在哪里$$ $内联$ n_c $内联$ 是临界密度，和$$ $内联$ \ alpha $内联$ -光的入射角。

现在，乐趣开始了。 回想一下，光不仅是光子的通量，而且是电磁波，也就是说，我们的动量具有电场，该电场以大幅度和谐地振荡。 当光平行于临界层传播时，会形成驻波，该驻波不会随时间变化（自然，只要有适当的激光脉冲）。 实际上，该波的场穿透的距离比光转向的等离子层更远，并到达临界层。 让我提醒您，临界层中的等离子体振荡频率与激光辐射的频率相同，这意味着会发生共振。 当激光停止发光时，它与临界层中的电子通信的能量通过对其他电子的撞击而分配，这意味着等离子体被加热了。

那么，实际上加速度在哪里？

现在我们已经加热了等离子体中的电子，并且激光不再发光了，我们可以知道质子是如何加速的。 为此，请看下面的图片。 到目前为止，我从未说过质子来自哪里。 自然，它们不会从箔材料的芯中出现。 由于我们不是很整齐，也没有戴手套（手出汗很厉害），因此铝箔的表面上有水和碳氢化合物。 离子化氢是我们宝贵的质子来源。 已检查：如果消除了污染，那么将没有质子。

	由基座形成的等离子体，即目标前端的电离。 作为靶，通常使用厚度为0.4-12微米的箔。
	在此，脉冲的主要部分与生成的等离子体相互作用并对其进行加热。 一些电子加热得很好，以至于它们从靶子的背面飞出。
	当大量电子飞出时，箔片中剩余的正电荷会将其拉回。 在等离子体中，它们再次加热并飞出。 一段时间以来，建立了动态​​平衡。 电场指向垂直于目标
	这个非常强的电场使质子和其他离子（取决于所存在的离子）从靶标的后表面脱离，然后使它们加速。 到离子加速时，电子云已经散开，所有粒子开始一起飞翔。 然后我们开始相信它们不再相互作用。

分而治之

此刻的位置是这样的：激光已经很久没有发光了，箔片上有一个洞，带有电子的质子从靶标正常地飞向其后表面。 我们根本不需要电子，这就是为什么磁铁可以帮助我们。 当一束带电粒子飞过磁场时，每个粒子的洛伦兹力会根据其速度和电荷成比例地偏转。 因此，质子和电子将朝不同的方向偏离，而我们根本不会朝电子的方向看。 顺便说一句，质子的能量（即速度）越大，其偏差就越小。 这意味着通过放置一个对质子敏感的屏幕，我们可以看到加速质子的能量。 在数量上还可以进行一些比较：一个永久与我们站在一起并产生约0.75 T磁场的磁铁； 在MRI设备中，磁场为1.5-3T。

此外，我们可以看到一束飞行质子的轮廓。 顺便说一句，它是圆形的。 而且，如果我们还可以测量束的每个部分中的质子能量，我们就可以唯一地恢复电子云的形状，从而加速了质子。

而不是结论

可能会产生一个公平的问题，为什么所有这些都是必要的。 我最喜欢的答案就是这样。这是一门基础科学，试图找到其瞬时应用是没有意义的。也许几年后它将发现其在癌症或热核融合治疗中的应用，但就目前而言，主要任务是了解周围世界的新事物，就像那样，因为它很有趣。

对于那些对激光器本身及其设备特别好奇的人

如所承诺的，在这里我将讨论激光，在我的帮助下科学。我已经提到了激光器的一些特性，但是没有讨论脉冲重复率。大约是80 MHz。该频率仅由谐振器的长度和光设法在谐振器之间来回飞行的时间的倒数确定。展望未来，我要说的是，以这种频率放大脉冲是不切实际的，从工程的角度来看这是极其困难的，而且您也无法节省电力。

我不会特别研究激光理论。维基百科有关受激发射的文章完美地阐述了激光辐射来自何处。如果简单地说，则激光辐射需要三个组成部分：活性介质（光子也从中飞出），泵浦作用（将活性介质保持在可以发射更多激发原子的状态）以及谐振器（它可确保光子在多次穿过活性介质期间相互复制。如果将所有组件放在一起祈祷，激光将开始发光，但是会持续发光。如果重试，可以使他产生脉冲，包括与我安装时一样短的脉冲。对于最好奇的产生飞秒脉冲的方法称为被动模式锁定。现在，它的特点是脉冲非常短。人们通常认为，激光以相同的波长，连续模式以及长脉冲发光，甚至可以称为真。实际上，由于存在许多复杂的物理过程（我们当然不会在此处讨论），因此脉冲的时间形状及其频谱通过傅立叶变换进行关联。即，脉冲越短，其频谱越宽。脉冲的时间形状及其频谱通过傅立叶变换进行关联。即，脉冲越短，其频谱越宽。脉冲的时间形状及其频谱通过傅立叶变换进行关联。即，脉冲越短，其频谱越宽。

假设我们启动了一个主振荡器，但是其脉冲能量为几nJ。记住，在一开始我曾说过，到达目标的脉冲能量约为2 J？因此，这是十亿倍。这意味着需要加强势头，我们将对此进行更详细的讨论。

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有两种方法可以应对高强度。正如您可以从其定义中轻松猜出的那样，您需要增加面积或降低功率。第一种方法非常清楚，但是第二种方法是20世纪激光技术的突破。如果脉冲最初很短，则可以将其拉伸，增强，然后再次压缩。

为了了解如何做到这一点，我们转向光学的基础知识。对于不同的波长，介质中的折射率不同，这意味着（通过定义折射率，顺便说一句），随着折射率的增加，介质中的光传播速度会降低。因此，我们在周三启动了脉冲，其红色部分通过材料的速度比蓝色部分更快，也就是说，脉冲变得更长，并且峰值功率下降了。万岁，什么都没有燃烧！为了更深入地了解这一领域，我建议您仔细阅读并阅读有关chi脉冲的放大（又称“ ed脉冲放大”或CPA）的信息。

我们剩下要做的就是增加动量，压缩，聚焦并发送它，从而在箔纸上打个洞！

现在有一些带字幕的图片。


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这是一个单独的房间，其中有第三工作台的抽水动力源和主真空泵。系统出口的效率一般，约为0.1％。我曾经认为消耗的功率约为160 kW。这些大约是960个视频卡，可以供电和开采，开采，开采。当以10 Hz的重复频率放大时，会消耗大量电能。如果我们尝试放大80 MHz，那么功耗将增加800万倍。

感谢您的关注！