28.08.2017 10:00
perych 89 16800 Источник
Здравствуйте, меня зовут Александр, и я физик. Со стороны это может прозвучать как приговор, но на самом деле так и есть. Вышло так, что я занимаюсь фундаментальными исследованиями в физике, а именно исследую ускоренные заряженные частицы: протоны и все те, которые побольше — положительные ионы, то есть. В исследованиях я не пользуюсь большими ускорителями вроде БАК, а стреляю по фольге лазером, а из фольги вылетает импульс протонов.



Теперь пару слов обо мне. Я закончил факультет фотоники и оптоинформатики ИТМО в Санкт-Петербурге, потом уехал в магистратуру в университет Аалто (это в Финляндии) по направлению микро- и нанотехнологий, а потом плюнул на все эти маленькие штучки, микроскопы, а в особенности на чистую комнату. И ушел я в фундаментальную науку с большими лазерами. Сейчас я тружусь в аспирантуре на юго-западе Швеции в городе Лунд в одноименном университете. Это примерно на расстоянии пушечного выстрела от Копенгагена.

Как ускорил, так и полетело


Сами по себе ускорители заряженных частиц идея не новая, но метод, которым я их разгоняю относительно свежий, примерно мой ровесник. Он позволяет существенно снизить размеры ускорителя и его стоимость, в том числе стоимость работы и обслуживания. Разницу между двумя типами можно оценить на картинке, которая ниже.

Слева — электростатический линейный ускоритель (немного разобранный); Справа — мой маленький, но гордый делатель дырок в фольге

Давайте подробнее сравним эти два образца сумрачного физического гения. Посмотрите на левый ускоритель и на правый, потом снова на левый и снова на правый: да, мой на коне (шутка — прим. автора). На самом деле, мой занимает всего метр в диаметре, а сами протоны ускоряются из кусочка фольги. Ее держатель находится ровно посередине круга, на нем надета красивая медная юбочка. Это гораздо проще и компактнее левого образца, который размером с автобус и вдобавок заполнен удушающим газом. Итак, вдоволь самоутвердившись (в физике часто бывает, что чем меньше — тем лучше), можно обратиться и к физике процесса ускорения.

Поскольку мы ускоряем заряженные частицы, то делать это логичнее всего электрическим полем. Поле мы будем характеризовать напряженностью. Для тех, кто после школы ушел во фронт- и бэк-энд, напомню: напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы, действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда (грязный копипаст с Википедии). Имеет размерность В/м. Возвращаясь к сравнению, ускоритель слева разгоняет протоны до 4 МэВ (Мегаэлектронвольт), то есть 2.77*107 м/с или 9,2% от скорости света. Поскольку заряд протона — 1, а длина ускорителя метра два, то напряженность поля составит 2 МВ/м. Здесь мы предположили, что во всех местах поле направлено в одну сторону и, в общем, были очень близки к истине. Стильный ускоритель имеет поле напряженностью порядка нескольких ТВ/м, то есть примерно в миллион раз больше. Все-таки стоит признать, что его длина составляет всего несколько микрон.

Итак, к данному моменту мы выяснили, чье поле круче. Настало время обратиться к физическим и инженерным механизмам, которое это поле создают. В случае с обычным ускорителем есть два металлических листа, один из которых заряжен отрицательно, а второй никак. Вспомните школьный эксперимент про натирание эбонитовой палочки куском шерсти. Здесь принцип абсолютно тот же, но исполнение гораздо сложнее. Если ускорять протоны из фольги, то поле создается электронами, электроны вылетают из горячей плазмы, плазма получается и нагревается лазером, и обо всем этом оставшаяся часть поста.

Хотите, я его стукну, и он станет фиолетовым в крапинку?


Если стукнуть достаточно сильно, то можно увидеть много замечательных физических явлений. Именно так парни из Гарварда получили металлический водород, а потом потеряли его.

В моем случае, я стреляю по фольге лазером. Подробнее я его опишу после объяснения нетривиальной физики процессов получения теплой плотной материи, именно так по-научному называется плазма, являющаяся виновницей торжества ускорения моих протонов. А теперь обо всем по порядку.

Лазер генерирует импульсы длиной волны 800 нм и 35 фс длительностью (10-15 с), то есть реальная длина импульса в вакууме примерно 10 мкм. В этот импульс упихано примерно 2 Дж энергии, а это много. Если взять этот импульс и сфокусировать на фольгу в аккуратное круглое пятнышко 5 мкм диаметром, то интенсивность получится порядка 1020 Вт/см2. Это уже неприлично много. Снова чуть-чуть сравнений: сталь можно спокойно резать при интенсивности 108 Вт/см2 (ну или около того).

На самом деле, импульс лазера в силу особенностей конструкции усилителя имеет предшествующий пьедестал длительностью примерно 500 пс, и этот самый пьедестал сильно помогает хорошо ускорить протоны.

Ионизирован — значит вооружен


Вспомним, что происходит со светом, когда он попадает в вещество. Энергия должна сохраниться, а значит есть всего три варианта событий: отражение, пропускание и поглощение. В суровой жизни присутствуют все перечисленные сразу. На самом раннем этапе нас интересует поглощение.

Итак, у нас есть пьедестал, который мы тоже отлично фокусируем на кусочек фольги, а он там отлично поглощается. Чтобы не вдаваться в сложности физики твердого тела, рассмотрим поглощение отдельно стоящего атома. Из квантовой механики мы знаем, что поглотить можно только фотон, энергия которого в точности равна энергии переход электрона из одного состояния в другое. Если энергия фотона больше, чем энергия ионизации (то есть отправки электрона из родительского гнезда в свободное путешествие), то избыток перейдет в кинетическую энергию электрона, тут все просто. В нашем случае фотоны с длиной волны 800 нм не обладают достаточной энергией (это энергия одного фотона, а не всего импульса!), чтобы ионизировать мишень, но здесь физика приходит нам на помощь. Помните, я упоминал большую интенсивность излучения? Если в довесок мы еще вспомним, что свет можно представить как поток фотонов, а интенсивность ему прямо пропорциональна, то получается, что поток фотонов ну очень большой. А если поток такой большой, то велика вероятность, что несколько фотонов прилетят в одно место и в одно время, а при поглощении их энергии сложатся, и ионизация все-таки случится. Это явление, как ни странно, называется многофотонной ионизацией, и мы регулярно им пользуемся.

На данный момент мы имеем, что электроны успешно оторваны, а значит, что основной импульс приезжает на уже готовую плазму и начинает ее греть.

Основы физики плазмы (не придумал шутку, ах)


Перед нагревом стоит немного рассказать про плазму как состояние материи. Плазма, она как газ, только электроны отдельно, а ядра отдельно. Мы будем считать нашу плазму практически идеальным газом, но состоящим из электронов.

Нашей главной характеристикой плазмы будут ее плотность (количество электронов на единицу объема), эту величину мы в дальнейшем будем обозначать $n_e$ (не путать с показателем преломления!), и температура этих самых электронов, то есть их средняя скорость движения. Это описывается распределением Больцмана так же, как и в школьном курсе физики:

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


откуда легко следует

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


где $inline$k_B$inline$ — постоянная Больцмана, $inline$T_e$inline$ — температура электронов, ну и $inline$m_e$inline$ — масса электрона. Да, здесь мы рассмотрели одномерный случай, но большего нам для описания наших процессов и не надо, на самом деле.

Теперь мы приложим к уже описанной плазме электрическое поле. Напомню, что состоит плазма из заряженных частиц, а значит при данной плотности на некотором расстоянии от того места, где мы приложили поле, электроны заслонят (экранируют) собой источник (такая толпа маленьких Матросовых — прим. автора). Расстояние, которое необходимо для этого называется Дебаевской длиной и задается уравнением

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


Здесь $inline$q_e$inline$, очевидно, заряд электрона, а $inline$\epsilon_0$inline$ — диэлектрическая проницаемость вакуума, такая фундаментальная константа. Немного проанализируем эту формулу, чтобы увидеть за ней несложную физику процесса. Увеличивая плотность электронов, мы уменьшаем среднее расстояние между ними, в результате за меньшее расстояние мы соберем достаточно электронов, чтобы полностью экранировать наше поле. С другой стороны, чем больше температура, тем больше среднее расстояние между электронами.

Из-за эффекта экранирования и вполне определенной (от температуры) средней скорости движения электронов плазма реагирует на внезапно прилетевшее поле не мгновенно. Логично предположить, что время отклика связано с Дебаевской длиной и скоростью движения электронов. Хорошая аналогия — бросок камня в озеро. По сравнению с целым озером камень воздействует на поверхность воды точечно. Часть воды изменяется сразу (это там, где плюхнуло), а затем волны начинают распространяться по водной глади. В случае с плазмой внезапно появившееся электрическое поле — это камень. Размеры плюха обусловлены длиной экранирования (дальше него поле не действует), а распространение волн зависит от того, насколько близко электроны находятся друг к другу. Мы можем ввести такую характеристику как время отклика плазмы:

$inline$ t_D = \lambda_D / v $inline$. По большому счету она показывает нам то время, за которое информация об изменении приложенного поля дойдет до тех электронов, которые этого поля как бы и не видели.

Поскольку мы физики, время мы не очень любим. Гораздо удобнее работать с частотами, поэтому мы введем понятие собственной частоты плазмы. Эта величина покажет нам, как часто мы можем менять поле, чтобы все скопление электронов, которое мы гордо называем плазмой, успевало на эти изменения отреагировать. Ну что может быть проще? Поделим единицу на время отклика, и вот она — частота:

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


Легко заметить, что от плотности электронов зависит собственная частота колебаний плазмы. Чем больше электронов, тем больше частота. Можно провести еще одну аналогию, но на этот раз с пружинным маятником. Большая плотность электронов говорит нам, что они ближе друг к другу, а значит и взаимодействуют сильнее. Положим, что их взаимодействие прямой пропорцией связано с упругостью пружины маятника. А чем больше упругость, тем выше частота колебаний.

Собственная частота плазмы также определяет ее показатель преломления. Если честно написать волновое уравнение коллективного движения электронов в плазме, а потом предположить небольшие изменения электронной плотности (делать этого мы здесь не будем, потому что это скучно), то задается показатель преломления так:

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


Здесь $inline$\omega_0$inline$ — круговая частота приложенного электрического поля. Она в рад/с а не в Гц!

Посмотрим внимательно на это выражение. Как физик-экспериментатор я души не чаю в действительных числах, а комплексные стараюсь игнорировать, особенно комплексный показатель преломления. Ну как может свет, в конце концов, распространяться в веществе в i раз медленнее, чем в вакууме? Это же бред какой-то! На самом деле нет, но об этом в другой раз. Если $inline$\omega_0 > \omega_p$inline$, то выражение имеет действительной значение, и переменное электрическое поле распространяется внутри нашей плазмы. Все довольны, а такую плазму мы будем величать недостаточно плотной. Однако если $inline$\omega_0 < \omega_p$inline$, то показатель преломления становится не то что комплексным, а целиком мнимым. В этом случае (и не просто потому что я так захотел) волна вообще не будет там распространяться, а сразу отразится без потерь. Это слишком плотная плазма. Очень классное явление, кстати. Называется плазменным зеркалом.

И в качестве десерта $inline$\omega_0 = \omega_p$inline$. Это плазма критической плотности. В этом случае она начинает входить в резонанс с вынуждающим (поданным нами) переменным электрическим полем. Для такого особого случая можно даже ввести понятие критической плотности и задать ее вот так:

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


Естественно, для каждой частоты вынуждающего поля критическая плотность своя.

ШОК! Нагрев плазмы! Для этого надо только...


В нашем случае мы остановимся только на одном механизме нагрева, который преобладает в эксперименте.

Для начала, пусть плазма, которую мы образовали пьедесталом будет иметь плавный градиент плотности, в этом случае мы имеем нагрев через резонансное поглощение. Иллюстрация этого на картинке дальше.


Иллюстрация процесса резонансного поглощения: а) распределение плотности электронов вблизи передней стороны мишени; б) преломление лазерного пучка в плазме с градиентом плотности; в) электрическое поле в плазме

Итак, лазер светит на нашу плазму под углом, ну пусть 45 градусов, и при этом он поляризован в плоскости падения. Поляризация обозначена красными стрелочками на рисунке. Наша плазма имеет градиент плотности, а значит ее показатель преломления непрерывно меняется (здесь — растет). В какой-то момент случится так, что некоторый слой плазмы для нашего лазера станет «поворотным» и он отразится, то есть некоторое время будет распространяться параллельно критическому слою. Важно отметить, что повернет он раньше того, как долетит до слоя с критической плотностью, поскольку запустили мы его под углом к нормали. Плотность плазмы, на которой лазерный пучок повернет, задается таким уравнением:

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


где $inline$n_c$inline$ — критическая плотность, а $inline$\alpha$inline$ — угол падения света.

Теперь начинается самое интересное. Вспомним, что свет — это не только поток фотонов, но еще и электромагнитная волна, то есть у нашего импульса есть электрическое поле, которое гармонически колеблется с большой амплитудой. При распространении света параллельно критическому слою образуется стоячая волна, которая не изменяется с течением времени (естественно, пока лазерный импульс на месте). Поле этой волны, на самом деле, проникает дальше того слоя плазмы, где свет повернул, и дотягивается до критического слоя. Напомню, что частота колебаний плазмы в критическом слое такая же, как и частота лазерного излучения, а значит происходит резонанс. Когда лазер перестал светить, энергия, которую он сообщил электронам в критическом слое, распределяется через удары остальным электронам, а это и значит, что плазма нагрелась.

Так а где, собственно, ускорение?


Теперь, когда мы хорошо прогрели электроны в плазме, а лазер уже не светит, можно рассказать, как ускоряются протоны. Для этого посмотрим на картинки ниже. До этого момента я так и не говорил, откуда вообще берутся протоны. Естественно, они появляются не из ядер материала фольги. Поскольку мы не очень аккуратные и не носим перчатки (в них руки потеют сильно), то на поверхности фольги оказывается вода и углеводороды. Ионизированный водород и есть наш бесценный источник протонов. Проверено: если убрать загрязнения, то протонов не будет.
Формирование плазмы пьедесталом, то есть ионизация передней стороны мишени. В качестве мишени обычно используют фольгу толщиной 0,4 — 12 мкм.
Здесь основная часть импульса взаимодействует с созданной плазмой и нагревает ее. Некоторые электроны настолько хорошо прогрелись, что вылетают с обратной стороны мишени.
Когда электронов повылетало достаточно много, оставшийся положительный заряд в фольге тянет их обратно. В плазме они снова нагреваются и вылетают. На некоторое время устанавливается динамическое равновесие. Электрическое поле направлено перпендикулярно мишени
Это самое электрическое поле отрывает протоны и другие ионы (в зависимости от того, что там было вообще) от задней поверхности мишени, а затем ускоряет их. К тому моменту, когда ионы ускорились, электронное облако уже разваливается, и все частицы начинают лететь дальше вместе. И тут мы начинает считать, что они и не взаимодействуют больше.

Разделяй и властвуй


На данный момент позиция такая: лазер давно не светит, в фольге дырка, протоны с электронами дружно летят от мишени нормально к ее задней поверхности. Электроны нам совсем не нужны, поэтому тут нам приходит на помощь магнит. Когда пучок заряженных частиц пролетает через магнитное поле, силы Лоренца каждую частицу отклоняют пропорционально ее скорости и заряду. Соответственно, протоны и электроны отклонятся в разные стороны, и в сторону электронов мы просто смотреть не будем. Кстати, чем больше энергия протона (то есть его скорость), тем меньше он отклонится. Это значит, что, поставив экранчик, который к протонам чувствителен, мы сможем посмотреть энергии ускоренных протонов. Еще немного сравнений в цифрах: магнит, который стоит у нас постоянный и создает поле около 0,75 Тл; в аппаратах МРТ магнитное поле 1,5 — 3 Тл.

Кроме этого, мы можем посмотреть профиль пучка летящих протонов. Он круглый, кстати. А если мы сможем померить еще и энергию протонов в каждой части пучка, то сможем однозначно восстановить форму электронного облака, которое наши протоны ускорило.

Вместо заключения


Может возникнуть справедливый вопрос, зачем все это нужно. Мой любимый ответ — просто так. Это фундаментальная наука, и пытаться найти ей сиюминутные применения бессмысленно. Возможно, через сколько-то лет она найдет свое применение в лечении рака или термоядерном синтезе, а пока главная задача — узнать что-то новое о мире вокруг нас, просто так, потому что интересно.

Для особо любопытных про сам лазер и его устройство


Как и было обещано, здесь я расскажу про лазер, с помощью которого я и делаю науку. Я уже упоминал некоторые характеристики нашего лазера, но не говорил о частоте повторения импульсов. Она составляет примерно 80 МГц. Эта частота определятся только длиной резонатора и обратна времени, за которое свет успевает слетать по резонатору туда-обратно. Забегая вперед, скажу, что на такой частоте усиливать импульсы нецелесообразно, невероятно сложно с инженерной точки зрения, да и электричества не напасешься.

Особенно вдаваться в лазерную теорию я не буду. Основы того, откуда берется лазерное излучение отлично изложены в статье на Википедии про вынужденное излучение. Если постараться быть совсем кратким, то для лазерного излучения нужны три составляющие: активная среда (из нее как раз и вылетают фотоны), накачка (она поддерживает активную среду в состоянии, в котором больше возбужденных атомов, которые могут излучить), а также резонатор (он обеспечивает то, что фотоны копируют друг друга при многократных прохождениях через активную среду). Если составить все компоненты вместе и помолиться, то лазер начнет светить, но непрерывно. Если постараться еще, то можно заставить его генерировать импульсы, в том числе и такие короткие, как на моей установке. Для самых любознательных, метод генерации фемтосекундных импульсов называется пассивной синхронизацией мод. И теперь небольшая особенность ну очень коротких импульсов. Часто считают, что лазер светит на одной длине волны, и в непрерывном режиме, а также на длинных импульсах это можно даже назвать правдой. На самом деле, из-за ряда сложных физических процессов, которые здесь мы обсуждать уж точно не будем, временная форма импульса и его спектр связаны преобразованием Фурье. То есть чем импульс короче, тем шире его спектр.

Допустим, что мы запустили задающий генератор, но энергия его импульсов несколько нДж. Помните, в начале я говорил, что энергия в импульсе, который прилетает в мишень около 2 Дж? Так вот, это в миллиард раз больше. Значит, импульс надо усилить, и про это мы поговорим подробнее.

Короткие импульсы вообще характеризуются очень большими пиковыми мощностями (помните же, энергию поделить на время?), а у этого есть ряд осложнений. Если в среду посветить излучением с большой интенсивностью (мощность на единицу площади), то она сгорит, а если активная среда сгорела, то усилить уже ничего не получится. Именно поэтому мы выбираем частоту повторения 10 Гц и усиливаем только их. Поскольку оборудования много и все оно работает именно на такой частоте, у нас есть специальная коробка, которая всему железу эти 10 Гц раздает, и для каждого устройства можно выбрать задержку получения сигнала с точностью до нескольких пикосекунд.

Бороться с высокой интенсивностью можно двумя способами. Как несложно догадаться из ее определения, нужно либо увеличить площадь, либо уменьшить мощность. С первым все предельно ясно, а вот второй способ стал прорывом лазерной технологии в двадцатом века. Если импульс изначально очень короткий, его можно растянуть, усилить, а потом снова сжать.

Чтобы понять, как это сделать, обратимся к основам оптики. Для разных длин волн показатели преломления в среде разные, а это значит (по определению показателя преломления, кстати), что с ростом показателя преломления уменьшается скорость распространения света в среде. И вот мы запустили в среду наш импульс, и его красная часть прошла материал быстрее, чем синяя, то есть импульс стал длиннее, а его пиковая мощность упала. Ура, теперь ничего не горит! Для более глубоких познаний в этой области рекомендую погуглить и почитать про усиление чирпированных импульсов (оно же Chirped Pulse Amplification или CPA).

Все, что нам осталось сделать — это усилить импульс, сжать, сфокусировать и отправить его делать дырку в фольге!

А теперь немного картинок с подписями.


Собственно фоточка лаборатории. Цилиндрическая хрень посередине — вакуумная камера, потому что протоны очень паршиво летают в воздухе и все время стукаются о его молекулы. Ну и в целом, с вакуумом все смотрится круче. Синяя штука справа — свинцовая стенка, чтобы невзначай не получить суперспособностей и лучевой болезни. Сам лазер находится за дверью, которая слева с желтым знаком ахтунга


А вот и сама стена в профиль. Да, внутри она набита свинцом, как Винни-Пух.


За стенкой находится наш командный пункт, когда мы стреляем, то по технике безопасности положено сидеть за ней. От радиации мы, конечно, не умрем, но вот ослепнуть можно запросто. Здесь пять мониторов на два компа, запутаться во всем этом барахле очень легко. На одном из компов есть колоночки, поэтому во время работы в подземелье можно слушать Лободу и Большого Русского Босса, по необъяснимым причинам они нравятся и моим коллегам тоже. Только половина из них шведы, кстати.


У нас еще есть свинцовая дверь-купе. Она на гидравлическом приводе.


Вот мы и внутри комнаты с лазером. Это фотография первого стола, на котором рождается лазерный импульс. Здесь же он предусиливается (в 1000 раз примерно) и растягивается. На полочке сверху стоит куча очень важной и нужной электроники, без которой лазер работать не будет.


Это второй стол, в котором усиливается излучение после первого. Этот усилитель — наша главная рабочая лошадка — он повышает энергию в сорок тысяч раз. На самом деле, в нем стоит два разных по устройству усилителя: многопроходовый и регенеративный. В первом импульс просто несколько раз проходит через активную среду. Во втором есть свой собственный резонатор. С помощью электрооптических затворов (ячейки Покельса) импульс запускают внутрь, он проходит там несколько раз, пока не усиление не насытится, а потом его выпускают дальше. Именно здесь так важна скорость и точность открытия-закрытия затворов.


Это третий стол, тут усиление примерно 15 раз. Башня посередине, которая торчит над крышкой — криостат. В нем в вакууме находится здоровенный кристалл, который охлаждается жидким гелием до температуры -190 градусов Цельсия.


Это отдельная комната, в которой находятся источники питания накачки третьего стола и основные вакуумные насосы. КПД от розетки у системы так себе, примерно 0,1\%. Я как-то посчитал, что потребляемая электрическая мощность примерно 160 кВт. Это примерно 960 видеокарт можно запитать и майнить, майнить, майнить. Столько электричества потребляется при усилении на частоте повторения 10 Гц. Если бы мы пытались усилить 80 МГц, то потребление выросло бы в 8 миллионов раз.

Спасибо за внимание!

Комментарии (89)


  1. andrew_tch
    28.08.2017 13:21
    #10278961
    +1

    Круто, но разводка проводов ппц )


  1. Ckpyt
    28.08.2017 13:35
    #10278981

    (Крик бывшего сисадмина)Народ! провода запутываются просто от того, что висят, лежат и находятся рядом. Поэтому, их надо собирать в пучок! И аккуратнее выглядит и вообще, потом проще будет.
    И еще аргумент — высокому начальству нравится порядок и бардак оно крайне не любит :-)


    1. DancingOnWater
      28.08.2017 14:01
      #10279027

      Я бы не был так категоричен с тем, что надо собирать в пучок. Но здесь бардак еще тот…


    1. DoNotPanic
      28.08.2017 15:25
      #10279201
      +8

      Вы понимаете. С одной стороны да, согласен, что порядок сильно помогает работать. Но с другой стороны, такая ситуация в физических лабораториях — скорее норма. Не в оправдание, но в объяснение.
      Потому что если в серверных условного Гугла люди, наверное, заранее меряют, что куда протянуть, оборудование относительно типовое. А тут приходится всё ставить хаотично. Пришли, например, в лабораторию камера и монитор для неё. Камеру нужно воткнуть в одно место, монитор — так, чтобы удобно и безопасно в него смотреть, а провод не то чтобы очень длинный оказался… И ты либо ищешь ещё кусок провода, чтобы удлинить имеющийся, ничего подходящего по сусекам не находишь, и думаешь, как теперь тебе его заказать у начальства, или же самому где купить. Либо просто тянешь по воздуху, не заморачиваясь, и оно работает. А потом у тебя оказывается контроллер, который надо протянуть к пяти разным другим коробочкам, часть из которых приходится располагать рядом с монитором, а провод «монитор-камера» имеет совсем другой direction по отношению к «контроллер-коробочка». А потом встаёт ещё какое-нибудь оборудование. Тут, чтобы навести порядок, по моему мнению, придётся тратить в десятки раз больше усилий, чем физику запомнить, какой провод для чего нужен. Благо, что местный товарищ наверняка будет «в теме», для него всё это оборудование — как родное.
      Что трудно — когда со стороны кто-то приходит новый, и хочет разобраться, то там ахтунг начинается.
      Ну и ребята минимальные усилия для централизации бардака таки прикладывают.
      А высокое начальство… Оно, чаще всего, из «своих» и всё понимает.


      1. Ckpyt
        28.08.2017 15:40
        #10279249

        Ни разу не аргумент.
        Я проработал сисадмином 3 года в хим.лаборатории. И до меня там был такой же бардак. И все, о чем вы говорите, испытал на своей шкуре. И тут вопрос что проще для себя — кинуть еще один короб, куда уложить новые кабеля, стянуть скруткой в один жгут несколько хвостов, замудохаться и удлинить простой кабель еще на полметра(а иногда и посидеть день-другой на форумах, читая про распайку коннектора), или оставить все как есть.
        Мне было проще именно что морочиться и укладывать, делать все красиво и чтоб не болталось над глазами. Каждый же выбирает по себе.


        1. DoNotPanic
          28.08.2017 15:44
          #10279265
          +2

          Ну, что ж, в таком случае могу сказать, что Вашей лаборатории попался хороший сисадмин ) Потому что те, кто ставит эксперименты, конечно, с меньшей вероятностью будут заморачиваться.


      1. DancingOnWater
        28.08.2017 15:58
        #10279295
        +2

        Ага, а потом выясняется, что великое открытие ( как в случае со сверхсветовыми нейтрино) — это плохо закрепленный кабель.
        Знаете сколько таких косяков с кабелями в точной аппаратуре видел?? — Вот и я уже не могу сосчитать.


        1. perych Автор
          28.08.2017 19:28
          #10279819
          +2

          Обычно, если происходит что-то подобное, то это либо видно сразу, либо выясняется при повторении эксперимента. У нас была недавно похожая проблема, когда задержка сигнала триггера начала плыть. Мы было подумали на новое открытие, но потом все перепроверили еще раз и поняли, что это косяки электроники. Естественно, это возможно, только если эксперимент относительно несложно повторить


    1. ploop
      29.08.2017 10:14
      #10280585
      +5

      Если увлекались электроникой — поймёте: представьте отладку нового устройства на макетной плате. Это клубок проводов вкупе с измерительными приборами, паяльниками и прочим срачем на столе. И только когда отладите — делаете красивую плату, корпус, и радуетесь.

      Так же и тут: приборы могут перемещаться, кабели от датчиков зачастую нельзя удлинить от слова никак, без переделки самого датчика (это не кусок витухи). Даже банальный кабель от осциллографа, который стоит как-бы стационарно, вы никуда не упакуете, ибо имеет строго рассчитанное волновое сопротивление и ёмкость.


  1. Sun-ami
    28.08.2017 13:46
    #10279003
    +2

    Прочитал статью и так и не понял, ради чего всё это — до какой энергии разгоняет протоны этот лазерный ускоритель, и какая получается плотность пучка?


    1. dfgwer
      28.08.2017 14:24
      #10279059

      Ради Науки и Крутости

      ПС Извиняюсь недочитал ваш коммент. Энергия 2Дж и длина импульса вроде 2мкм.


    1. perych Автор
      28.08.2017 14:32
      #10279069
      +3

      Добрый день,

      Ответить на первый вопрос достаточно сложно: такие протонные импульсы пока в индустрии не применяются. Говорят, что это может быть перспективным направлением радиационного лечения рака, но даже до первого прототипа подобной установки пока очень далеко, да и никто не старается, насколько я знаю. Сейчас исследования проводят, потому что интересно узнать новое о происходящих внутри процессах.

      На второй вопрос ответить проще. Ниже типичный энергетический спектр пучка протонов:

      По оси абсцисс отложена энергия в МэВ, по оси ординат — количество протонов с данной энергией в одном стерадиане. Разными цветами обозначены спектры, полученные из алюминиевой фольги разной толщины


      Если постараться и хорошо отладить всю систему, то можно получить максимум энергии около 8 МэВ.

      Еще изображение профиля пучка:


      По осям отложены расходимость в градусах по осям Х и Y, образующим плоскость перпендикулярно направлению распространения протонов. Цветом показана интенсивность пучка (в шт. на единицу площади) в относительных единицах


      Надеюсь, что я ответил на Ваши вопросы!


      1. Sun-ami
        28.08.2017 15:41
        #10279255

        Спасибо, исчерпывающий ответ, перспективная область исследований.


      1. Fedorchik
        30.08.2017 14:17
        #10283097
        -1

        Вашему ответу сильно нехватает этого изображения:
        image


    1. flerant
      30.08.2017 20:49
      #10283885
      +2

      Я всё же уточню, что в Лунде довольно средненький по сегодняшним меркам лазер. Рекорд лазерного ускорения протонов сейчас составляет около 100 МэВ. Этого мало для протонной терапии, да и качество пучка не позволяет использовать эти протоны в медицине. Однако лазерные протоны используют для радиографии. А ещё в Японии сейчас реализуется проект, в котором лазерные протоны используются вместо инжектора для традиционного ускорителя. Там протоны ускоряют всего до 4 МэВ, но использование лазерных технологий позволяет заметно — раза в два — уменьшить общий размер ускорителя.


  1. parnikesha
    28.08.2017 14:14
    #10279049
    +1

    Круто, отдельное спасибо за выкладки в виде формул, вспомнил школьный курс физики


  1. olexn
    28.08.2017 14:33
    #10279071
    +4

    У Вас на фотографии, со стеной в профиль, на полу какая-то странная формула скотчем выложена. Начальство туда не ходит?


    1. perych Автор
      28.08.2017 14:35
      #10279079
      +6

      Начальство ходит, но понимает только обозначения осей. Они не так хорошо знакомы с кириллицей


      1. bormental
        29.08.2017 10:08
        #10280575
        +1

        Часто, видя подобные надписи, было интересно, что сподвигло автора на написание. Но авторы всегда анонимны.
        Но еще более удивительно, как некоторым удается заметить слово среди окружающего "хаоса" :)


    1. SONce
      28.08.2017 14:43
      #10279099

      это автограф Большого Русского Босса


  1. gabirx
    28.08.2017 14:39
    #10279087
    +1

    А пароль 15_femton что означает?


    1. perych Автор
      28.08.2017 14:41
      #10279093
      +6

      В первую очередь означает, что я выкладываю слишком много в сеть. Femton — пятнадцать по-шведски. Никакой более смысловой нагрузки


      1. gabirx
        28.08.2017 15:10
        #10279157
        +1

        я ожидал какой-то физический смысл — протон, фемтон, или еще чего. Хотя вначале прочитал dataserver, как dotaserver :)


  1. old_bear
    28.08.2017 14:55
    #10279133

    Давно я не читал таких приятных статей. Весело у вас там в Швеции, аж самому захотелось.
    P.S. Но таки может найтись кто-то из начальства, кто знаком с кирилическими письменами.


  1. Sdima1357
    28.08.2017 14:58
    #10279139

    Любопытно. Хороший способ делать дырки в фольге. А как насчет Dielectric Laser Acceleration (DLA) в сравнении?


    1. perych Автор
      28.08.2017 15:16
      #10279169
      +1

      Сравнивать их не очень корректно. DLA ускоряет электроны, а TNSA — протоны и положительные ионы. DLA к протонам плохо применим, поскольку они тяжелые, а поле лазера слишком быстро меняется.


      1. Sdima1357
        28.08.2017 17:46
        #10279673

        Спасибо.
        Жаль… Значит настольный вариант получился, а карманный пока не получится…


      1. flerant
        30.08.2017 20:52
        #10283889

        Ну на самом деле можно и протоны ускорять. Работы с нерелятивистскими электронами, по крайней мере были. Почему не ускоряют, я, правда, не знаю. Возможно, работать с электронами в целом проще.


        1. Sdima1357
          30.08.2017 22:56
          #10284033

          Вроде была работа где преодолели 25kv предел. Так что уже немного релятивистские. Интересное направление (Elements of a dielectric laser accelerator.2016) хотя я может чего и путаю


  1. yurisv3
    28.08.2017 15:18
    #10279177
    +1

    … из кусочка фольги

    все вместе напоминает в хорошем смысле щи из топора.

    — как получить пучок протонов с высокой энергией?
    — не вопрос! берем кусочек фольги,,,…


    1. commanderxo
      30.08.2017 16:29
      #10283423
      -1

      Зачем нам классический ускоритель протонов размером с автобус? Берём маленький кусочек фольги и,… фемтосекундный лазер размером с два автобуса!


  1. real1ty
    28.08.2017 15:22
    #10279197
    +2

    Приятно видеть подобное здесь.
    Говоря про пьедестал перед основным лазерным импульсом, Вы написали 500 пс. Если имеется ввиду ASE — длительность всегда больше наносекунды, обычно несколько наносекунд. Если имеется ввиду паразитный, когерентный пьедестал помимо ASE, то его длительность почти всегда в районе 100 пс. К тому же, свою роль в ускорении имеют предимпульсы, которые скорее всего тоже есть. Не думаю, что пьедестал играет здесь какую-то роль. По крайней мере мне об этом не известно.


    1. perych Автор
      28.08.2017 15:42
      #10279257
      +1

      Спасибо за замечание!

      Здесь я выразился недостаточно ясно: ASE у нас порядка 11 нс, соответствует времени двойного обхода регенеративного усилителя.

      500 пс взялось оттого что мы измеряем контраст основного импульса к пьедесталу во временах соответственно 0 и -500 пс.

      Отсутствие предимпульсов мы регулярно проверяем, их у нас точно нет.

      Сам пьедестал ионизирует переднюю сторону мишени перед прибытием основного импульса. Частично это описано вот тут: rsta.royalsocietypublishing.org/content/364/1840/711.short

      Надеюсь, откроется


  1. Ig_B
    28.08.2017 15:44
    #10279267

    А какие измерительные приборы используются и какой софт их обрабатывает?


    1. perych Автор
      28.08.2017 15:53
      #10279285

      Сами протоны регистрируются сцинтилляторами, а изображение с них камерами. Затем мы обрабатываем полученные картинки.

      Софт в основном самописный под LabView или MatLab. В основном LabView, конечно


  1. perych Автор
    28.08.2017 15:53
    #10279283
    +1

    Сами протоны регистрируются сцинтилляторами, а изображение с них камерами. Затем мы обрабатываем полученные картинки.

    Софт в основном самописный под LabView или MatLab. В основном LabView, конечно


  1. amarao
    28.08.2017 16:16
    #10279439
    +1

    Если фольге требуется водород на поверхности, то, может, стоит стандартизировать его появление?

    Например, если на тонкий слой гидрида алюмминия нанести вакуумное алюмминиевое напыление, то что случится? Станет лучше/быстрее или хуже? Если станет, то почему?


    1. perych Автор
      28.08.2017 17:37
      #10279649
      +2

      Чтобы знать наверняка, надо провести эксперимент или сделать численное моделирование, а пока могу только предположить следующее.

      С задней стенки мишени можно ускорить лишь несколько «слоев» налипших туда протонов. Те, которые под ними, из-за эффекта экранирования не увидят ускоряющего поля, а значит, что толку от них нет. Концентрация атомов водорода на задней стенке достаточно хорошо известна, также известно, что там примерно три-пять монослоев воды и углеводородов. Слои глубже этого будут уже плохо ускоряться.

      Соответственно, большого смысла помещать туда специально водород нет, разницы особой не будет, а сложности обращения с мишеняит добавит.

      Отдельная история — применение гетероструктур в качестве мишений, но об этом в данный момент я больше рассказать не могу.


      1. amarao
        29.08.2017 10:37
        #10280617

        Кстати, а что если в качестве мишени взять сверхтонкую плёнку? Например, графеновую чешуйку. Тоньше не придумать.


        1. perych Автор
          29.08.2017 14:22
          #10281031

          Сейчас многие представители сообщества думают об этом, но есть ряд сомнений.

          Во-первых, нужен свободностоящий графен довольно большой площади. Сделать его, скорее всего, возможно, но вот транспортировать — никак.

          Во-вторых, для такого нужен очень высокий контраст импульса, иначе пьедестал импульса все уничтожит до прихода основной его части.

          В-третьих, графен может оказаться вообще слишком тонким, и выбитые электроны будут одинаково сильно тянуть и вперед, и назад.

          Тем не менее, пока никто не проведет эксперимент и не разберется с происходящими процессами, сказать наверняка ничего не получится


          1. amarao
            29.08.2017 16:07
            #10281307

            Если энергия пьедестала фиксирована, то можно попробовать абляционную прослойку, то есть что-то, что как раз испаряется за время прохождения пьедестала.

            Если время свечения пьедестала фиксировано, и разумно по длительности, то можно попробовать использовать вращающееся синхронное зеркало для отражения только нужной части импульса. Чтобы синхронность была похожа на оную, установка триггерится по приходу отражения сигнала от того же самого вращающегося зеркала, но с известным сдвигом по фазе. (т.е. крутится зеркало, как только лучик светодиода попал в фотодиод — положение зеркала, так запускается лазер, и тайминг подобран так, чтобы только нужная часть импульса пришлась на мишень. Хотя 35фс слишком сурово по таймингам. Так что абляционная защита.

            Тонкость графена преодолевается его толщиной. Кстати, я начал бы с мыльной плёнки. Насколько я помню школьную физику, это три молекулы стопочкой по толщине, то есть несколько десятков атомов.

            У меня вопрос: вот эти эксперименты «заменить фольгу на мыльную плёнку» — их насколько сложно делать?


            1. perych Автор
              29.08.2017 16:26
              #10281347

              Если поставить какой-то слой перед графеном, то этой слой сначала ионизируется, а потом нагреется, и механизм ускорения будет очень похож на то, что происходит в фольге. Мы уже пробовали использовать графен в качестве мишени, пока ничего толкового из этого не вышло, и было принято решение отложить эти мероприятия на неопределенный срок.

              Чтобы заменить фольгу на мыльную пленку (хотя мыльной пленки в вакууме не получится, вода еще на этапе откачки испарится), придется перебирать примерно половину всей установки, а это займет где-то месяц. Если решить стрелять по газу вместо фольги, то займет еще больше времени. Хорошо, что установка для газа у нас есть отдельно.

              Ну и еще про зеркало, чтобы совсем окрасить все в серый цвет. Диаметр нашего пучка — 8 см, зеркало подходящего размера так быстро не крутануть.


              1. amarao
                29.08.2017 17:29
                #10281477

                Мыльную плёнку можно засушить, кстати.

                Давайте я ещё пофантазирую: Если предположить, что лазер проходит сквозь стекло, то можно использовать тонкое стекло (хрусталь) для создания атомарного слоя любого металла методом напыления. Другой эксперимент: любой аэрогель — у него очень тонкие стенки с большим количеством пустот.

                Для управления лазерным лучом (если это понадобится) можно попробовать использовать матрицу из DLP-проектора. Они расчитаны на относительно большие энергии отражения (не в имульсе, конечно), и имеют невероятно высокую скорость срабатывания (https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Light_Processing), хотя, конечно, не в фемтосекундном диапазоне.


                1. perych Автор
                  29.08.2017 18:16
                  #10281559

                  Мишени с большим количеством пустот уже пробовали — ничего путного из этого, к сожалению, не вышло, то есть заметного улучшения энергии или профиля пучка протонов не наблюдалось.

                  Активно управлять пучком вряд ли целесообразно по нескольким причинам.

                  Во-первых, практически вся «пропускающая» оптика горит на наших интенсивностях. Во-вторых, вся электроника, которая участвует в этом мероприятии должна быть вакуум-совместимой, иначе она либо сгорит, либо испортит нам вакуум и насосы.

                  Другими словами, с контрастом импульса можно и нужно бороться, но достигается это другими способами. В идеале, контраст должно быть можно контролировать.

                  Кстати, нечто подобное DLP мы используем. Это деформируемое зеркало в связке с фазочувствительной камерой. Эта пара устройств позволяет нам корректировать волновой фронт импульса и таким образом получать маленькое и круглое фокальное пятно.


                  1. Vjatcheslav3345
                    30.08.2017 08:53
                    #10282155

                    пьедестал длительностью примерно 500 пс

                    При таких кратких импульсах можно попробовать стрелять лазером не по плёнке а по свободно падающей из иголки-инжектора капельке дистиллированной воды — с точки зрения лазера — капля будет почти неподвижна и испариться в вакууме не успеет. Кроме того, капельку можно попробовать заменить закреплённой неподвижно маленькой льдинкой или шариком воска.


        1. flerant
          30.08.2017 20:56
          #10283897
          +1

          Кстати, были эксперименты с ультратонкими углеродными пластинками, сделанными из Diamond-like carbon. Там использовали мишени с толщиной вплоть до 5 нм, если мне не изменяет память. Проблему предымпульса обычно решают с помощью так называемых плазменных зеркал. Это прозрачные кристаллы, которые во время прихода импульса ионизируются. То есть предымпульс свободно сквозь них проходит, а основной импульс отражает от образующейся плазмы. Обычно пары таких зеркал хватает, чтобы почистить импульсы интенсивностью до 10?? Вт/см?.


  1. DaylightIsBurning
    28.08.2017 20:07
    #10279881

    охлаждается жидким гелием до температуры -190 градусов Цельсия.
    Имелся ввиду азот или -269C?


    1. perych Автор
      28.08.2017 20:28
      #10279907
      +2

      Нет, имелся в виду именно жидкий гелий и именно -190С. Расскажу поподробнее про охлаждение.

      Во-первых, температура это выбрана не случайно, именно при ней у кристалла титан-сапфира наибольшая теплопроводность, то есть мы эффективнее всего можем отводить тепло.

      Теперь про тепло. Мы используем 8 — 10 Дж зеленой накачки, большая часть которых уходит в тепло. К сожалению, я не могу вспомнить точного набора причин, почему именно азот не подходит для этого. Мне кажется, что он не достаточно холодный. На этой неделе постараюсь уточнить и расскажу подробнее.

      Если пытаться охладить наш кристалл жидким гелием до 4К, то, во-первых, гелия не напасешься, а во-вторых мы «выморозим» спектр усиления, что нам вот совсем не надо.


  1. dimchik_b
    28.08.2017 20:54
    #10279929

    Скажите, а что за история про металлический водород?


    1. perych Автор
      28.08.2017 21:04
      #10279931
      +3

      Например, здесь рассказано: geektimes.ru/post/285212

      Здесь оригинальная статья в Science: science.sciencemag.org/content/355/6326/715


  1. quwy
    29.08.2017 02:34
    #10280283

    Интересно. Мне совершенно очевидно, что с укорочением импульса спектр обязан расширяться. Но как, черт возьми, это происходит с точки зрения активной среды? Ведь удельные характеристики излучающего вещества от длительности накачки не зависят.


    1. perych Автор
      29.08.2017 10:06
      #10280571
      +3

      Совершенно верно, от длительности накачки спектр излучения активной среды не зависит вообще никак.

      Мы в лазере используем кристаллы титан-сапфира, и у них довольно широкий спектр. В нашей установке в начале он гауссовый с полушириной около 40 нм, если меня не подводит память.

      Сам лазер может работать в двух режимах: непрерывном и импульсном. Первый режим нам совсем не интересен, а работа во втором достигается за счет метода пассивной синхронизации мод (passive mode-locking). Статья на Википедии про механизм, который используется почти во всех фемтосекундных лазерах, в том числе и в нашем, вот: en.wikipedia.org/wiki/Kerr-lens_modelocking

      Наверное, стоит рассказать об этом подробнее попозже


    1. kauri_39
      29.08.2017 23:05
      #10281863
      -1

      Как вы полагаете, если протоны и электроны при своём ускорении поглощают фотоны, а при столкновении тех или других количество и энергия рождённых новых частиц пропорциональна количеству фотонов, поглощённых ускоренными частицами, то не говорит ли это о том, что все частицы в конечном итоге образованы их фотонов? Ведь и полная аннигиляция частиц тоже может рассматриваться как их распад на исходные фотоны? Да и в момент рождения Вселенной вряд ли в ней могли бы выжить более сложные частицы материи, чем фотоны.


      Второй вопрос: если фотон определённой частоты/энергии может распадаться на два фотона, имеющих половинное значение частоты/энергии, то не говорит ли это о том, что фотоны высоких энергий образованы (состоят) из множества менее энергичных фотонов?


      1. DaylightIsBurning
        29.08.2017 23:47
        #10281897
        +1

        говорит ли это о том, что все частицы в конечном итоге образованы их фотонов
        А какое это имеет значение? Мы их можем как-то на фотоны разобрать или как-то просчитать их поведение исходя из фотонного состава? Так-то они из фемто-гномиков состоять могут…


  1. 3aicheg
    29.08.2017 07:22
    #10280385
    -2

    Я бы не смог быть физиком — фольгу, вроде как, жалко.


  1. Electrohedgehog
    29.08.2017 08:09
    #10280433

    Кто же тот удивительный человек, что поставил этой публикации минус?


  1. shark14
    29.08.2017 09:36
    #10280519
    +2

    Хорошая статья, продолжайте в том же духе!

    Небольшое замечание: 10^20 Вт/см2 — это уже релятивистская интенсивность для 800 нм, поэтому формулы для плазменной частоты и критической концентрации там меняются. И, соответственно, лазерный импульс проникнет в плазму меньше, чем предсказывают приведенные формулы.


    1. perych Автор
      29.08.2017 09:38
      #10280525
      +2

      Да, это, несомненно, так. Я напишу об этом как-нибудь в другой раз!

      Тем не менее, в рамках этого поста я решил не упоминать релятивистских эффектов, поскольку качественно они не очень сильно меняют картину происходящего. Такое вот первое приближение.


    1. flerant
      30.08.2017 20:58
      #10283899

      Наоборот, импульс проникает глубже. Плазменная частота же эффективно понижается.


      1. shark14
        30.08.2017 22:42
        #10284001

        Да, конечно же, релятивистская самоиндуцированная прозрачность.


  1. moachi
    29.08.2017 10:14
    #10280581
    +1

    Вопрос не совсем по теме статьи, но возник по мере прочтения и всё меня мучает и никак не могу найти ответ в интернете.

    Насколько я понимаю переносчиком электромагнитного взаимодествия является квант поля — фотон.

    Как это вообще работает? Вот у нас есть поле и группа электронов или один электрон. Как это поле заставляет электроны двигаться? Источник поля посылает всё время фотоны которые говорят электроном что они «как-бы должны» притягиваться? Как часто и сколько фотонов посылается? С чем связано что у силовых линий есть определённая форма, если фотоны путешествуют по прямым линиям?
    С фотонами ли связано то, что у вакуума есть определённая «диэликтрическая проницаемость» — фотоны не могут проникнуть глубже ибо поглощаются внешним слоем и соотвественно нету поля внутри?

    Очень буду благодарен если кто обьяснит на пальцах, а то меня всё мучают и мучают эти вопросы, как работают все эти поля.


    1. Sdima1357
      29.08.2017 14:10
      #10280997
      +1

      Хорошие вопросы. По моему на пальцах Вам не ответят.
      Фотон (как и любая другая частица) дуален — это и частица и волна.Кроме того его присутствие в каком либо месте пространства — описывается функцией вероятности.Взаимодействие вроде передается виртуальными фотонами, которых как бы и нет.
      %как работают все эти поля% — кто бы знал… Пусть бросит в меня камень :)


      1. perych Автор
        29.08.2017 14:15
        #10281007

        Боюсь, что мне придется согласиться. К сожалению, чем «фундаментальнее» взаимодействие (как электромагнитное, например), тем сложнее объяснить его на пальцах. Приходится признать, что я тоже не могу этого сделать. По крайней мере сейчас


    1. mayorovp
      29.08.2017 14:35
      #10281077

      Поле не состоит из квантов, поле — это самодостаточная форма материи. Статическое поле существует вовсе без каких бы то ни было квантов.


      Когда поле меняется — изменения поля "расходятся" во все стороны от источника с некоторой скоростью (для электромагнитого поля эта скорость равна скорости света). Эти волны как раз и состоят из квантов.


      1. moachi
        29.08.2017 15:29
        #10281205

        Если поле не меняется/постоянно и в область действия этого поля попадает частица, как она узнаёт что в этой области есть поле если оно неизменно? Есть ли у поля какой-нить рефреш рейт =)) или иной механизм, который скажет частице что вот в этой точке у меня такая-то сила и направление… как частица узнает если к ней не прилетит этот квант поля и не скажет об этом?


        1. mayorovp
          29.08.2017 15:46
          #10281239

          Залетевшей частице нет необходимости "узнавать" о поле, она с ним и так взаимодействует. Напомню — поле, это материя, оно объективно существует в той области пространства где локализована залетевшая частица.


          1. moachi
            29.08.2017 15:53
            #10281275

            Хм… если провести аналогию, то поле — это как поверхность воды. А кванты — это изменения уровня этой поверхности.

            Например у нас есть резиновая уточка, которая плавает в бассейне.
            Если в одном конце бассейна (дальнем от уточки) мы резко добавим воды. То уточка не сразу подымиться выше в бассейне, а через некоторое время, когда это изменение в виде волны дойдёт до неё.

            В плане электрического поля подобная волна изменения уровня в бассейне будет фотонами? То есть суть фотонов это сообщить каждой точке о том что у них новый уровень?

            Правильны ли мои рассуждения?

            Если что подобное правльно, то сколько фотонов нужно чтобы сообщить об изменениях и я так поинмаю они должны охватить всё пространство вокруг источника изменений? Тоесть побывать в каждой точке пространства чтобы установить там новое значение?


            1. mayorovp
              29.08.2017 16:03
              #10281289

              Нет никакого "сообщить". По полю распространяется волна, подчиняющаяся законам этого поля (для электромагнитного поля это будут уравнения Максвелла). Эту волну мы можем наблюдать как поток фотонов.


              1. moachi
                29.08.2017 16:11
                #10281317

                Прошу прощение, не совсем корректно выразился может.

                Я имел ввиду что после того как квант/волна пройдёт через определённую точку в пространсвте, эта точка будет иметь другие характеристики.

                В бассейне это уровень воды, у электромагнитного поля это что-то иное.

                Можно ли считать что эта квант/волна изменений изменяет=устанавливает=сообщает=присваивает данной точке пространства новые характерстики.

                Когда приходит волна от другого источника и например противоположного по направлению, волна считывает текущие характеристики и производит вычисления (например если направление противоположно то вычитает свою силу из того значения которое есть уже в этой точке)?


                1. mayorovp
                  29.08.2017 16:13
                  #10281321

                  Волна не "устанавливает" характеристики, волна — это и есть процесс изменения характеристик.


                  1. moachi
                    29.08.2017 16:28
                    #10281349

                    Тоесть кванты это процессы изменения характеристик электромагнитного поля и распростроняются по нему со скоростью света?

                    А как это работает с тем что кванты могут быть одиночные и иметь определённое направление движения?

                    Если например электрон движеться в пространстве, как заряженная частица влияющая на электромагнитное поле, должен ли он испускать кванты во всех направлениях что-бы обновить характеристики поля? Сколько нужно квантов/процессов что-бы охватить всё пространство?

                    Когда этот квант/процесс летить в одном направлении, я так понимаю он всё равно влияет/меняет характерстики поля не только по направлению движения?


                    1. mayorovp
                      29.08.2017 16:34
                      #10281361
                      +1

                      Ничего не мешает одному фотону лететь сразу во всех направлениях. А сколько там их будет излучаться — зависит от энергии и частоты излучения.


                      1. moachi
                        29.08.2017 16:37
                        #10281371

                        То есть фотон можно представить как расширяющуюся сферу с центром в виде источника заряда? Эта сфера при расширении влияет на все точки пространства через которые она проходит.

                        А как это связано с тем что фотон может быть поглощён определёной частицой на пути своего движения. Что станет с той информацией что он нёс? Никого обновления электромагнитного поля после этого? Ведь фотон то «сьеден»?

                        То есть скажем фотон пролетел 1 метр от частицы и был поглощён, значит только сфера радиусом 1 метр будет оповещена об изменениях?


                        1. mayorovp
                          29.08.2017 16:39
                          #10281377

                          А вот ответ на этот вопрос квантовые физики хранят в тайне.


                          1. moachi
                            29.08.2017 17:10
                            #10281449
                            +1

                            Спасибо за ответы))) Буду искать квантовых физиков и пытать их)))


  1. vdvvdv
    29.08.2017 10:14
    #10280583

    При таком КПД и потребляемой мощности, все должно не мало греться. Не заметил оборудование охлаждения.


    1. perych Автор
      29.08.2017 10:20
      #10280597
      +2

      Почти все лазеры охлаждаются водой. Обычно система двухконтурная: сам лазер охлаждается деионизированной водой по замкнутому контуру, а в источнике питания стоит теплообменник, через который мы пускаем просто водопроводную воду. Все шланги уложены аккуратно под полом, поэтому их не видно на фотографиях


  1. fotofan
    29.08.2017 13:15
    #10280887

    Если не секрет, кто вас финансирует? Можете ли вы корректировать бюджет?


    1. perych Автор
      29.08.2017 13:22
      #10280909
      +1

      Не секрет, конечно.

      Финансирует нас Knut Alice Wallenberg Foundation, проект называется PLIONA. Я не занимаюсь вопросами бюджета, поэтому более подробно рассказать не могу.


  1. ilyakos
    29.08.2017 14:32
    #10281063

    Не пробовали полиэтиленовую фольгу взять — там только углеводород? Или еще можно тяжелую воду испарять через каппиляр в фокусе лазера завести и дейтерий получать. Или гелий тотже?
    Большие ускорители нужны чтобы делать Резерфордовское обратное рассеяние (у нас по крайней мере). Видимо Вам тоже спектроскопию придется в какойто момент добавить?


    1. perych Автор
      29.08.2017 14:55
      #10281109

      Принципиальной разницы между материалом фольги нет, поскольку нас заботят только несколько поверхностных слоев с водородом на задней стенке мишени.

      К сожалению, без твердой или хотя бы жидкой мишени ионы не ускоряются в той конфигурации, которую используем мы. Да и для жидкостей придется перебирать всю систему, поэтому объективных причин для такой модернизации нет.

      Пока наши исследования логично следуют одно из другого, и спектроскопию добавлять смысла нет на нынешнем этапе. Кроме этого, для спектроскопии лучше иметь непрерывный поток частиц, а у нас импульсы, притом без ярко выраженной частоты повторений, так называемый single-shot


      1. ilyakos
        29.08.2017 15:11
        #10281145

        Мне кажется логичным для физики достоверно знать, что измеряется. К примеру взять точно известную систему — гелий или водород. Иначе как вы будете фундаментальные свойства (не знаю какие точно Вас интересуют) привязывать? П.С. Я работал немного над двойной ионизацией гелия и чистота газа имела колоссальное значение. Как и то, что это именно гелий, для которого известны электронные конфгурация и атомное строение.

        Жидкую мишень я вам и не советую в вакууме, а вот газовый натекатель легко делается.

        На счет спектроскопии понятно, но масс спектрометр не помешал бы. Про другие методы анализа поверхности и заряженных частиц промолчу :) Понятно, что проект всегда можно улучшать, а ресурсы и время ограничены


        1. perych Автор
          29.08.2017 16:52
          #10281413

          Масс-спектрометр нам не очень нужен, его в нашем случае вполне может заменить парабола Томсона (комбинация магнита и электрического поля), над которой мы сейчас трудимся, поскольку мы точно знаем, какие ионы у нас летят.

          Мы достоверно знаем, что измеряем только свойства пучка протонов (только они долетают до детектора), для этого нам достаточно упомянутой выше установки.

          Естественно, мы тоже за чистоту эксперимента, но 20% усилий приносят 80% результата, как известно. Часто чистоты полученного результата хватает для выводов об исследуемом объекте. Если их не хватает, то эксперимент переделывается с некоторыми поправками, но это случается достаточно редко. Как бы странно это ни прозвучало, часто приходится полагаться на интуицию при прикидывании чистоты эксперимента.

          Такой подход, естественно, прощается только с твердыми телами. Если работать с газами, то появляется куча заморочек совершенно иного порядка. Например, за соседней дверью от нашей товарищи занимаются генерацией аттосекундных импульсов и высоких гармоник. Им важна не только чистота газа, но и то, насколько пучок лазера дрейфует от выстрела к выстрелу, а это микрорадианы


          1. ilyakos
            29.08.2017 17:16
            #10281459
            +1

            Замечу, что именно поверхностные эффекты в твердом теле никаких упрощений экспериента не прощают. Некоторые поверхности кристаллов приходится неделями подготоваливать (электронные спиновые зеркала по своему опыту знаю). С газом как раз на мой взгляд проще работать — изначально чистый, так как теоретики свойства чаще всего как раз для свободного атома считают. Но я понимаю, вас как именно водород в поверхности ионизируется не очень интересует. Хотя имея пульсовый лазер можно в аттосекундную физику влезть :)

            Вообще идея классная конечно. Сделать протонный высокоэнергетичный источник компактным — это мечта :). А если он пульсовый — еще лучше.

            П.С. Не добавите пару референсов, где публикации по теме эксперимента смотреть?


            1. perych Автор
              29.08.2017 17:54
              #10281525
              +1

              Я как раз упоминал, что за соседней дверью как раз влезли и в высокие гармоники, и в аттосекунды, притом вполне успешно.

              Вот одна обзорная статья 2010 года: www.researchgate.net/publication/221907266_Laser-based_Particle_Acceleration
              Из нее я, кстати, картинку резонансного поглощения свистнул.

              Вот еще одна: arxiv.org/abs/1302.1775
              Эта посвежее, но теория там более зубодробительная


            1. flerant
              30.08.2017 21:03
              #10283911

              Здесь же речь идёт о разогреве плазмы до миллионов кельвин. Никаких твердотельных свойств у материалов там уже не остаётся. Вещество очень быстро превращается в релятивистскую плазму, поэтому особой подготовки поверхности не требуется.

              P.S. Есть, кстати, довольно старенький обзор на русском языке, который когда-то написали мы с коллегами: ufn.ru/ru/articles/2011/1/c Ещё несколько были опубликованы в 2015 году: ufn.ru/ru/articles/2015/1


  1. MrRIP
    30.08.2017 15:57
    #10283345

    Я извиняюсь — но может стоит назвать статья немного иначе? Я заглянул почитать про «лазер из фольги», которым можно выбивать протоны, а тут просто лазер, которым из фольги выбивают протоны…
    Просто поменять порядок слов — «выбивание протонов из фольги лазером»(или выбивание из фольги протонов лазером) ВСЁ — и никаких кривочтений.


    1. LampTester
      30.08.2017 22:08
      #10283957

      У меня, кстати, первая мысль тоже была «что за лазер из фольги?»


  1. flerant
    30.08.2017 20:46
    #10283879
    +2

    Неплохая статья, но содержит неточности.

    В частности, при 10?? Вт/см? резонансное поглощение не играет существенной роли из-за релятивистских эффектов — резонанс банально размывается в пространстве. Электроны греются в предплазме чисто за счёт прямого ускорения в поле лазерной волны. Плюс, возможно, играет роль «вакуумный» нагрев, но это надо смотреть внимательнее — это зависит от величины градиентов в предплазме.

    А вообще, передавайте привет Olle Lundh и Claes-Goran Wahlstrom!