Генерация субпикосекундных электронных сгустков сильными терагерцовым полями для высокоградиентного ускорения электронов и сверхбыстрого дифракционного имиджинга

В последние годы наблюдалось стремительное развитие высокоинтенсивных источников терагерцового излучения пикосекундной длительности, основанных на оптико-терагерцовом преобразовании фемтосекундных лазерных импульсов и обеспечивающих величины электрического поля в диапазоне десятков мегавольт на сантиметр. Достижение таких величин терагерцовых полей сделало перспективным их использование в задачах высокоградиентного ускорения электронов. Предельные величины ускоряющих полей для классических радиочастотных ускорителей, работающих в гигагерцовом диапазоне, определяются пробоем элементов конструкции и составляют в настоящее время порядка 2 МВ/см. В то же время известно, что порог пробоя пропорционален квадратному корню из частоты деленному на корень четвертой степени из времени, то есть возрастает с увеличением частоты и уменьшением длительности импульса. Поэтому использование мощных пикосекундных импульсов терагерцового диапазона позволяет рассчитывать на один - два порядка большие ускоряющие поля по сравнению с классическими радиочастотными ускорителями, что потенциально позволяет заметно уменьшить размеры будущих ускорителей. Принципиально новой и сложной задачей на пути применения мощных терагерцовых импульсов, не имеющей до сих пор удовлетворительного решения, является реализация непосредственного (прямого) ускорения коротких электронных сгустков в поле мощного терагерцового импульса. В настоящем проекте предлагается проведение экспериментальных и теоретических исследований, направленных на демонстрацию высокоградиентного ускорения электронов интенсивными короткоимпульсными терагерцовыми полями в специально разработанных для этих целей ускоряющих структурах. Разработка оригинальных ускоряющих систем была представлена ранее в работах российской части коллектива. При выполнении проекта будет использован опыт немецких партнеров, которые уже экспериментально продемонстрировали ускорение электронов в умеренных (порядка 1 МВ/см) терагерцовых полях. Для генерации ТГц излучения планируется, в частности, использовать наиболее интенсивный источник, имеющийся в распоряжении российского коллектива, с помощью которого достигнуты рекордные ТГц поля (порядка 50 МВ/см) [C.Vicario, et al., Optics Letters 39, 6632 (2014)]. При ускорении коротких электронных сгустков, которые и предполагается ускорять короткоимпульсным терагерцовым излучением, принципиальным является вопрос об их взаимной синхронизации. В настоящем проекте этот вопрос предполагается решить путем получения начального сгустка электронов при эмиссии из катода под действием фемтосекундного лазерного и вспомогательного терагерцового импульсов. Поскольку терагерцовые импульсы в проекте планируется получать при оптическом выпрямлении фемтосекундных импульсов, то проблема синхронизации решается автоматически. Применение вспомогательного терагерцового поля дает возможность гибко управлять пространственно-временными параметрами процесса эмиссии электронных сгустков, а высокий градиент ускорения около катода будет способствовать понижению поперечного эмиттанса. Существенную помощь окажет имеющийся у немецких партнеров опыт по получению коротких сгустков электронов с эмитирующих катодов, который будет использован российской стороной при реализации проекта. В целом реализация настоящего проекта будет существенным вкладом в исследования, направленные на применение мощного короткоимпульсного терагерцового излучения для высокоградиентного ускорения электронов и последующего применения ускоренных коротких электронных сгустков для сверхбыстрой электронной дифрактометрии, сверхбыстрой электронной микроскопии и других приложений.