Моделирование и оптимизация лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Андреев Степан Николаевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРИО-ИЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ КОРПУСКУЛЯРНОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

12 ДЕК 2013

Москва-2013

005543432

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук

Научный консультант:

Рухадзе Анри Амвросиевич

доктор физико-математических наук, профессор,

Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, главный научный сотрудник

Официальные оппоненты:

Краннов Владимир Павлович

доктор физико-математических наук, профессор,

Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская обл., профессор

Матафонов Анатолий Петрович,

доктор физико-математических наук,

ФГУП ЦНИИМаш, г. Королев, Московская обл., заместитель начальника отдела

Урюпин Сергей Александрович

доктор физико-математических наук,

Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, заведующий сектором

Ведущая организация:

ФГУП РФЯЦ ВНИИЭФ, г. Сэров, Нижегородская обл.

Защита состоится 20.02.2014 г. в 15:00

на заседании диссертационного совета Д 501.001.31

при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова

по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 62, Корпус нелинейной оптики,

аудитория им. С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27).

Автореферат разослан^ ноября 2013 г.

Отзывы и замечания по авторефер; высылать по вышеуказанному

Ученый секретарь диссертащ тел. +7(495)939-30-95

заверенные печатью просьба аря диссертационного совета.

А.А. Коновко

Введение

Актуальность темы.

Создание в последние десятилетия лазерных установок петаваттного уровня позволило ученым начать исследования нового уникального физического объекта - релятивистской лазерной плазмы, возникающей при воздействии интенсивного лазерного излучения на газовые, кластерные и твердотельные мишени [1].

Присутствие в релятивистской лазерной плазме потоков высокоэнергетичных электронов и ионов, а также их взаимодействие друг с другом и с веществом мишени обеспечивает протекание различных ядерных и фотоядерных реакций, генерацию электромагнитных полей в широком диапазоне длин волн от терагерцового до гамма-излучения [2]. Фактически, релятивистская лазерная плазма является тем уникальным объектом, который позволяет в лабораторных условиях моделировать и исследовать различные экстремальные состояния вещества, характерные для задач неуправляемого и управляемого термоядерного синтеза [3], лабораторной астрофизики [4] и др.

Релятивистская лазерная плазма, как источник корпускулярного и электромагнитного излучения, представляет большой интерес для множества приложений.

Моноэнергетические пучки ускоренных протонов, ускоренных до энергий около 200 МэВ, востребованы для целей адронной терапии. В обзоре [1] описаны эффективные методы создания таких пучков, например, при облучении интенсивными лазерными импульсами двухслойных мишеней, содержащих тяжелые ионы и локализованные на тыльной поверхности мишени протоны. Предложенный в работе [5] метод прямого зажигания термоядерных мишеней пучками легких ионов из лазерной плазмы является перспективным в ядерном синтезе с инерционным удержанием.

Лазерно-плазменные источники гамма-излучения обладают такими характеристиками, как высокая спектральная яркость, микронные размеры, пикосекундная длительность импульса, узкая диаграмма направленности, благодаря которым они являются перспективными для радиографии [6], производства короткоживущих изотопов [7], дезактивации радиоактивных отходов [7, 8]. Детальное изучение свойств лазерных источников гамма-излучения необходимо также в задачах лабораторной астрофизики [4].

Среди короткоимпульсных нейтронных источников, наиболее перспективных для спектрометрии по времени пролета, используемой как в физике конденсированного состояния, так и в исследованиях структуры атомного ядра [9], особое положение занимают лазерно-плазменные источники нейтронов из-за своей сверхкороткой (субпикосекундной) длительности и сверхмалого (микронного) размера [10].

Для разработки новых и оптимизации существующих лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения необходимы адекватные теоретические модели процессов, протекающих при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с плазмой.

Наиболее распространенным и информативным методом теоретического исследования таких процессов является численное моделирование методом «крупных частиц» (в англоязычной литературе PIC (Particle In Cell) - метод). Помимо численных расчетов разрабатываются также простые аналитические модели, позволяющие, в частности, оценить вклад различных физических механизмов в процесс лазерного ускорения заряженных частиц и, тем самым, улучшить понимание результатов расчетов, а также лазерно-плазменных процессов в целом (см, например, [11-14]).

Во многих работах (см. например, [10,15-18]), посвященных моделированию лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения, используется подход, содержащий два этапа. На первом этапе PIC- методом моделируется воздействие интенсивного лазерного излучения на мишень, и вычисляются функции распределения ускоренных электронов и ионов в образовавшейся релятивистской лазерной плазме. Затем, эти функции распределения используются в качестве начальных условий в постпроцессоре, основанном на методе Монте-Карло, моделирующем протекание ядерных реакций и других процессов в веществе мишени при распространении в нем потоков заряженных частиц. Данный подход не позволяет самосогласованно учесть влияние электромагнитных полей на движение заряженных частиц в веществе, а также влияние нагрева вещества, обусловленного этим движением, на протекание указанных процессов. Другим недостатком этого подхода является принципиальная невозможность моделирования ядерных реакций при взаимодействии друг с другом разнонаправленных пучков заряженных частиц, формирующихся, например, при облучении мишеней, содержащих микрополости.

Таким образом, проведенные к настоящему времени теоретические и экспериментальные работы по исследованию релятивистской лазерной плазмы оставляют ряд открытых вопросов. Одним из наиболее существенных с точки зрения разработки новых источников корпускулярного и электромагнитного излучения является следующий: не разработаны удовлетворительные теоретические модели, позволяющие самосогласованно описывать такие процессы в релятивистской лазерной плазме, как генерация гамма-излучения, ядерные и фотоядерные реакции.

В диссертации также изучены процессы, протекающие при воздействии на жидкую воду импульсного лазерного излучения трехмикронного диапазона с интенсивностью ниже порога плазмообразования, приводящие к генерированию в воде электромагнитных

4

импульсов (сигналов). Это явление было экспериментально обнаружено в работе [19], авторами которой была предложена гипотеза, объясняющая возникновение в воде разности потенциалов вследствие пространственного разделения ионов Н+ и ОН" под действием лазерного излучения, однако теоретическая модель этого нового эффекта до настоящего времени отсутствовала.

Целью диссертационной работы является построение адекватных расчетно-теоретических моделей взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом, в которых учитываются процессы генерации гамма-квантов тормозного излучения ускоренными электронами при их рассеянии на атомных ядрах мишени, многократная полевая ионизация атомов мишени, ядерные и фотоядерные реакции, для разработки новых и оптимизации существующих лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения.

Научные задачи диссертации включают в себя: развитие и численную проверку аналитической теории движения релятивистской заряженной частицы в поле фемтосекундного лазерного импульса; последовательное сравнение результатов PIC-моделирования с простыми аналитическими моделями, позволяющими не только достаточно точно оценить основные параметры лазерного ускорения заряженных частиц, но и описать динамику их изменения на относительно протяженном интервале времени; расчетно-теоретическое исследование и оптимизацию лазерно-плазменного источника нейтронов при помощи оригинального подхода, в котором из первых принципов вычисляется вероятность акта реакции ядерного синтеза дейтронов на каждом шаге по времени для каждого дейтрона в процессе самосогласованного моделирования PIC - методом взаимодействия интенсивного лазерного импульса с мишенью, содержащей ионы дейтерия; моделирование генерации гамма- квантов тормозного излучения при облучении интенсивными лазерными импульсами мишеней из золота микронной толщины; моделирование реакций синтеза и фоторасщепления дейтронов при облучении мишеней из дейтерида палладия интенсивными лазерными импульсами с целью создания нейтронного источника с рекордной плотностью потока нейтронов; построение теории эффекта генерирования электрических сигналов в воде в закрытой кювете при ее облучении лазерными импульсами инфракрасного диапазона с плотностью энергии ниже порога плазмообразования.

Научная новизна диссертационной работы определяется основными результатами, перечисленными ниже:

1. Найдена точная зависимость частоты колебаний релятивистской заряженной частицы и скорость ее дрейфа в плоской монохроматической электромагнитной волне от амплитуды поля, поляризации и начальных условий. Показано, что движение частицы в

5

волне с медленно меняющейся амплитудой приближенно описывается формулами для движения частицы в монохроматической волне с заменой в них постоянной амплитуды поля на его амплитуду в точке нахождения частицы, и найден критерий применимости данного приближения.

3. Численно исследована динамика формирования импульсов нейтронов, образующихся в результате взаимодействия разнонаправленных потоков дейтронов при облучении фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью 1019 - 1021 Вт/см2 слоистых мишеней микронной толщины из дейтерированного полиэтилена. Найдены оптимальные параметры слоистой мищени, позволяющие увеличить выход нейтронов более чем в 20 раз по сравнению со случаем сплошной мишени.

Рассчитаны параметры нейтронных импульсов, формирующихся в результате воздействия фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью порядка 1021 Вт/см2 на микронные мишени из дейтерида палладия. Получены нейтронные импульсы длительностью около 100 фс с максимальными значениями плотностей потоков нейтронов до 1024 н/(с см2), что на несколько порядков выше значений, характерных для современных нейтронных источников не лазерных типов.

4. Проведено моделирование генерации гамма- квантов тормозного излучения при облучении мишени из золота толщиной 0.5 мкм фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью 1021 Вт/см2. Показано, что средняя энергия электронов оказывается в десятки раз больше средней энергии генерируемых ими гамма- квантов. Получена аппроксимационная формула, устанавливающая взаимно-однозначное соответствие между этими величинами.

5. Рассчитаны величины электрических импульсов, возникающих в воде в закрытой кювете при ее облучении лазерными импульсами инфракрасного диапазона с плотностью энергии ниже порога плазмообразования. Показано, что амплитуда электрического импульса, обусловленного термодиффузионным разделением продуктов диссоциации молекул воды при ее лазерном нагреве, в отсутствие взрывного вскипания воды не превышает десяти милливольт. В случае возникновения взрывного вскипания воды и формирования в ней паровой полости, напряженность электрического поля в которой в десятки раз больше, чем в окружающей жидкости, амплитуда электрического импульса достигает сотен милливольт.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректностью использованных аналитических и численных методов, совпадением результатов моделирования с экспериментальными данными. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в реферируемых научных журналах и изданиях,

6

неоднократно обсуждались на различных конференциях, научных семинарах и получили признание ведущих специалистов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Релятивистская лазерная плазма, возникающая при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью порядка 1021 Вт/см2 на мишени из дейтерида палладия микронной толщины, представляет собой источник гамма-квантов и нейтронов с длительностью порядка 100 фс и максимальной плотностью потока нейтронов до Ю24 н/(с-см2), что на несколько порядков превышает значения, характерные для современных не лазерных нейтронных источников.

2. Полный выход нейтронов в ОБ - реакциях при облучении фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью порядка 1019 - 1021 Вт/см2 слоистых мишеней из дейтерированного полиэтилена с субмикронными размерами полостей увеличивается более чем в 20 раз по сравнению со случаем сплошных мишеней за счет формирования на границах полостей электростатических полей разделения заряда и, как следствие, дополнительных разнонаправленных потоков ускоренных дейтронов, отсутствующих в случае сплошной мишени.

3. При воздействии фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью порядка 1021 Вт/см2 на металлическую мишень субмикронной толщины, ускоренные электроны со средней энергией Ко генерируют гамма-кванты тормозного излучения со средней энергией

связанной с Ко аппроксимационным соотношением (-£>) = 0.039АГ0 +0.016, где и

Ко выражаются в мегаэлектронвольтах.

4. Движение релятивистской заряженной частицы в плоской электромагнитной волне с медленно меняющейся амплитудой приближенно описывается формулами для движения частицы в монохроматической волне с заменой в них постоянной амплитуды поля на его амплитуду в точке нахождения частицы. Критерий применимости данного приближения для

гауссовского импульса имеет вид г 3^1 + —где Р1¥НМ - длительность импульса,

ц = /Я2 /(1.37-1018), / (Вт/см2) - интенсивность, Дм км) - длина волны, Г - период колебаний электромагнитной волны.

5. Причиной возникновения электрических импульсов в воде и некоторых других полярных жидкостях при их облучении инфракрасным лазерным излучением с интенсивностью ниже порога плазмообразования является термодиффузионное разделение продуктов диссоциации жидкости при ее лазерном нагреве. В случае возникновения взрывного вскипания жидкости и формирования в ней паровой полости, напряженность

электрического поля в которой в десятки раз больше, чем в жидкости, амплитуда электрических импульсов существенно возрастает.

Практическая ценность результатов работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке новых и оптимизации существующих лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения, а также в экспериментальных исследованиях новых типов мишеней и режимов лазерного воздействия на современных лазерных установках петаватгного уровня мощности, перспективных для задач лазерного термоядерного синтеза, диагностики быстропротекающих процессов, адронной терапии, лабораторной астрофизики и др.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международных конференциях ICONO/LAT (2007, 2010, 2013), Laser Optics (2010, 2012), Plasma physics and plasma technologies -2009, Nonlinear Optics: East-West Reunion -2011, Международном симпозиуме Complex systems of charged particles and their interaction with electromagnetic radiation (2008, 2010, 2011, 2012, 2013), на Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013), XIV Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» ФИАН - 2012, на научном семинаре ИПФ РАН, научном семинаре ОИВТ РАН, научном семинаре ИС РАН, научном семинаре ИЛФИ ФГУП РФЯЦ ВНИИЭФ, различных научных семинарах ИОФ РАН.

Личный вклад автора определяется непосредственным, а в большинстве случаев, определяющим участием на всех стадиях выполнения работы, включая анализ текущего состояния научной проблемы, постановку задач, построение математических моделей, проведение численного моделирования, анализ и интерпретацию полученных данных, а также публикацию результатов. Под руководством автора подготовлена одна диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук.

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 42 статьях, из которых 29 входят в перечень рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 248 страницах и содержит 69 рисунков, 1 таблицу и списки цитируемой литературы (по главам, общее число ссылок 197, включая пересекающиеся).

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, кратко рассмотрены основные задачи работы, а также раскрываются новизна и практическая значимость результатов работы.

Первая глава диссертации посвящена проблеме движения релятивистской заряженной частицы в интенсивном лазерном поле.

В разделе 1.1 дается краткий обзор современных работ, посвященных исследованию различных аспектов данной проблемы.

В разделе 1.2, основываясь на подходе, приведенном в томе «Теория поля» классического Курса Ландау и Лифшица [20, §48], выводятся общие параметрические формулы, описывающие движение заряженной частицы в плоской электромагнитной волне.

В разделе 1.3 анализируется случай лазерного импульса с резкими передним и задним фронтами [21]. Показано, в частности, что после прохождения лазерного импульса заряженная частица получает максимальную энергию, если в длине импульса укладывается нечетное число полуволн. Если же в длине импульса укладывается четное число полуволн, то после прохождения импульса частица оказывается в своем первоначальном состоянии.

В разделе 1.4 рассматривается движение заряженной частицы в поле монохроматической плоской волны в общем случае эллиптической поляризации в лабораторной системе координат [А1] (здесь и далее литерой А обозначаются ссылки на публикации автора). Показано, что движение частицы представляет собой наложение движения с некоторой постоянной скоростью дрейфа V и колебательного движения с

некоторым периодом Т (отличающимся от периода поля Т ). В случае линейной поляризации волны период колебаний частицы определяется выражением Т = т(1 + я/4(1 + 2зт2Ф0)), где ц = 1Хг /(1.37-1018), I (Вт/см2)- интенсивность и Л(мкм)-длина волны электромагнитного излучения, Ф0 - начальная фаза поля в точке, где находится частица в момент времени ? = 0. Усредненная по начальной фазе Ф0 средняя энергия заряженной частицы в этом случае имеет вид:

В случае круговой поляризации волны период колебаний частицы составляет Т = 7"(1 + // /2), а средняя энергия первоначально покоящейся частицы дается выражением:

(1)

I Г *ю'\ Вт мкм2/см2

Рис. 1 Зависимость средней энергии электрона от интенсивности плоской монохроматической электромагнитной волны: 1 - линейная поляризация; 2 - круговая поляризация; 3 - расчет по формуле К = тс!{ф+/и-11

На рис. 1 приводятся зависимости средних энергий электрона от интенсивности плоской монохроматической электромагнитной волны: кривая 1 - в случае линейной поляризации, кривая 2 - в случае круговой поляризации. Кривая 3 - расчет по формуле для кинетической энергии электрона К=гт?(^1+/1-\), осциллирующего в поперечном поле падающей световой волны, приведенной в работе [22] и широко используемой в последующих работах (см., например, [23-27]). Как видно из рисунка, эта формула,

полученная в приближении Е»£-УхВ, дает существенно заниженные значения средней энергии электрона в электромагнитном поле релятивистской интенсивности. Средние энергии оказываются сравнимыми только в нерелятивистском пределе. Заметим, что максимальная энергия, полученная частицей при взаимодействии с лазерным импульсом с резким фронтом может превышать максимальную среднюю энергию частицы в монохроматической волне.

В разделе 1.5 подход, развитый в 1.4 обобщается на случай квазимонохроматической волны, амплитуды полей в которой достаточно медленные функции с характерным временем изменения ть» Т. В этом случае движение частицы на интервале времени, малом по

сравнению с ть, слабо отличается от ее движения в строго монохроматическом поле, т.е.

тоже является суперпозицией дрейфа и колебаний с периодом f , который теперь сам является медленной функцией времени. В данном разделе в адиабатическом пределе ть /Т » 1 получены формулы для координат, компонент скорости и импульса, а также

энергии частицы, усредненных по периоду Т [А2, A3]. Получены также выражения для компонент средней силы, действующей на частицу [A4, А5]. Показано, что в нерелятивистском пределе выражение для этой силы стремится к известной силе Гапонова -

Миллера [28]: F =--Ï—WЕ2) , где m- масса частицы, q - ее заряд, су - частота

2 mai1 х '

электромагнитной волны, (Е1^ - усредненный по периоду волны квадрат напряженности

электрического поля. Из полученных формул следует, что после прохождения плоской квазимонохроматической электромагнитной волны импульс и энергия релятивистской заряженной частицы принимают те значения, которые у нее были до того, как волна дошла до частицы. Смещение частицы за время прохождения волны, если частица ранее покоилась, отлично от нуля только вдоль направления распространения волны.

Раздел 1.6 посвящен исследованию пределов применимости полученного в разделе 1.5 приближенного аналитического решения путем его сравнения с результатами численного решения точного уравнения движения заряженной частицы во внешнем заданном поле плоского электромагнитного импульса в широком диапазоне его интенсивностей и длительностей [Аб]. Численное моделирование движения релятивистского электрона в поле электромагнитного импульса проводилось при помощи двухмерной XZ - версии электромагнитного 3D PIC кода KARAT [29]. Были рассмотрены электромагнитные импульсы линейной поляризации с длиной волны А = 1 мкм, различной длительности от 3 фс до 100 фс и различной интенсивности Д>= 1016-1019 Вт/см2.

В качестве примера на рис. 2 приведена траектория движения первоначально покоящегося электрона в случае, когда длительность импульса составляла 25 фс, а его интенсивность 101! Вт/см2. Изменение периода колебаний электрона в электромагнитном поле лазерного импульса длительностью 25 фс и интенсивностью 1018 Вт/см2 приводится на рис. 3. Точками показаны результаты численного моделирования, сплошной линией - период колебаний Т, вычисленный по аналитической формуле, полученной в п. 1.5.

Максимальное значение периода колебаний частицы = 7"(l + ///4) достигается в тот момент, когда электрон оказывается в максимуме лазерного импульса.

g

Рис. 2 Траектория движения электрона в электромагнитном импульсе длительностью 25 фс и с интенсивностью 1018 Вт/смг

I, фс

Рис. 3 Изменение периода колебаний электрона в импульсе длительностью 25 фс и с интенсивностью 10'8 Вт/смг'. сплошная кривая - аналитический расчет, точки - результаты численного моделирования.

Поэтому критерий ть/Т » 1 применимости адиабатического приближения, в котором получены формулы раздела 1.5, можно записать в виде:

FWHM

«И)

(3)

где в качестве величины ть рассматривается ширина импульса на половине интенсивности FWHM . Для определения численного коэффициента к бьшо проведено сравнение зависимостей от времени кинетической энергии электрона, полученных из аналитических расчетов и моделирования кодом KARAT в широком диапазоне интенсивносгей и длительностей лазерного импульса. Показано, что удовлетворительное (не хуже 10 %) соответствие приближенных аналитических формул и результатов численного моделирования достигается уже при к = 3 . Заметим, что для выполнения условий адиабатичности в другой "простейшей модели плазмы" - пары взаимодействующих заряженных частиц, движение которых на плоскости ограничено упруго отражающими раздвигающимися (сдвигающимися) стенками, требуется гораздо большее значение к г 200 [А7, А8].

Вторая глава диссертационной работы посвящена проблеме ускорения заряженных частиц в сверхсильном лазерном поле. Краткое введение в проблему приводится в разделе 2.1. Исследование особенностей ускорения электронов и ионов при облучении различных мишеней интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами проводилось при помощи двухмерной XZ - версии кода KARAT, краткое описание математической модели которого дается в разделе 2.2.

• •

■ М-2

• М » 0.75

▲ М-0.4

V М-0.3

■ М>2

• М * 0.75

▲ М = 0.4

V М- 0.3

2

2

0.1

0,1

(а) h, мкм

(б) h, мкн

Рис. 4. Зависимость максимальной энергии протонов с фронтальной (а) и тыльной (б) поверхности мишени от ее толщины Л при различных значениях параметра М . Сплошная линия - результаты эксперимента [30].

В разделе 2.3 проведено тестирование кода KARAT путем сравнения результатов соответствующих расчетов с результатами работы [30], в которой экспериментально исследовалось ускорение протонов при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с рекордным контрастом (>Ю10) с майларовыми пленками различной толщины. В работе [30] было экспериментально продемонстрировано, что при отсутствии предплазмы на фронтальной поверхности мишени ускорение протонов как с фронтальной, так и с тыльной поверхностей мишени происходит практически с одинаковой эффективностью. Расчетная модель в коде KARAT соответствовала параметрам эксперимента [30]. Размер счетной области был равен 40*40 мкм, величина шага сетки по каждой оси выбиралась равной 57 нм. Лазерный импульс с длиной волны А = 790 нм имел гауссов профиль как по времени, так и по пространству (в плоскости XZ) с шириной на полувысоте, соответственно, 65 фс и 8 мкм. Интенсивность лазерного импульса в максимуме составляла /0 =51018 Вт/см2. В начальный момент мишень представляла собой область плазмы шириной 18 мкм и толщиной А = 80 -800 нм, состоящую из электронов с концентрацией л, = 1.1-10" см'3 и ионов трех видов: протонов р+ с концентрацией и.=5(Ы021 см3> ионов углерода С+ с концентрацией nc. = 40-Ю2' см"3 и ионов кислорода 0+ с концентрацией и = 20-1011 см"3, что соответствовало плотности майлара р = \а г/см3.

Мишень была повернута на 45 градусов относительно направления распространения лазерного импульса. Расчеты проводились при нескольких значениях параметра укрупнения М , который определяет количество макрочастиц, участвующих в моделировании.

Как видно из рис. 4, на котором приводятся зависимости максимальной энергии протонов с фронтальной (а) и тыльной (б) поверхности мишени от ее толщины и ,

результаты моделирования удовлетворительно соответствуют результатам эксперимента при М 5 0.75. При этом, при уменьшении параметра укрупнения макрочастиц его влияние на результаты моделирования ослабевает. Исследована зависимость максимальной кинетической энергии протонов от угла падения лазерного импульса на мишень, и получено, что энергия протонов достигает абсолютного максимума при угле падения, равном 45°[А9].

Раздел 2.4 посвящен численному исследованию механизмов ускорения заряженных частиц при воздействии интенсивного фемтосекундного лазерного импульса на металлическую мишень, на фронтальной поверхности которой присутствует слой водородной предплазмы. В разделе проведено сравнение результатов расчетов с аналитическими моделями [И, 26, 31, 32] и экспериментальными данными [33]. В подразделе 2.4.1. описывается постановка задачи: геометрия счетной области, параметры лазерного импульса и мишени.

Лазерный импульс линейной поляризации (электрическое поле направлено вдоль оси х) с длиной волны я = 1 мкм и интенсивностью /„ = 2-10'8 Вт/см2 распространялся в положительном направлении оси г и имел гауссов профиль как по времени, так и по пространству, с длительностью г = 235 фс и размером пятна га = 3 мкм по половине амплитуды. Мишень состояла из трех первоначально квазинейтральных слоев. Передний -слой предплазмы толщиной 4 мкм состоял из электронов е и протонов р, концентрация которых увеличивалась по экспоненциальному закону от п = 0.25пс до п = 2пс , где пс = 1.1-10" см"3 - критическая концентрация электронов для излучения с длиной волны Я = 1 мкм. За слоем предплазмы располагался слой основной мишени толщиной 3-мкм, состоящий из ионов алюминия А1+ и электронов с концентрацией п = 4пс. Третий слой, состоящий из электронов и протонов с концентрацией п = 4пс, располагался за алюминиевой мишенью и имел толщину 0.1 мкм. Поперечный размер мишени в начальный момент времени был равен 8 мкм.

В подразделе 2.4.2 исследовалась динамика электронов предплазмы. Для оценки средней энергии электронов предплазмы было предложено использовать формулу (1), в которую подставлялась интенсивность лазерного импульса 1(1), действующего на предплазму, как функция времени. Такой подход является приемлемым для разреженной плазмы, в которой взаимодействием электронов между собой можно пренебречь по сравнению с воздействием на них лазерного импульса В этом случае для электронов предплазмы можно использовать формулы Раздела 1.5, посвященного движению заряженной частицы в поле квазимонохроматической электромагнитной волны. Из сравнения

результатов аналитического расчета с результатами моделирования следует, что формула (1) достаточно точно описывают динамику набора энергии электронами предплазмы в течение первых 500 фс (на переднем фронте лазерного импульса). Максимальное значение средней энергии электронов, рассчитанное по формуле (1), (К,) = 538 кэВ на 20% отличается от максимальной средней энергии электронов, полученной в моделировании, и равной 660 кэВ. Под действием лазерного импульса в предплазме происходит разделение зарядов, и возникают собственные электростатические поля, существующие на временах, значительно превышающих длительность лазерного импульса. Колебательные движения электронов в этих полях являются причиной более медленного уменьшения средней кинетической энергии электронов в численном эксперименте по сравнению с формулой (1) при t > 500 фс. Наблюдения за траекториями отдельных электронов показали, что, приобретя энергию направленного движения от лазерного импульса, они проходят сквозь алюминиевую мишень практически с постоянной скоростью. После выхода с тыльной поверхности мишени электроны начинают испытывать силу притяжения со стороны нескомпенсированного положительного заряда мишени и изменяют направление своего движения на противоположное. Величина электростатического поля на тыльной поверхности мишени, тормозящего покидающие мишень электроны, в рассматриваемых условиях достигает величины 7 ГВ/см. Поменяв направление движения и снова пройдя сквозь мишень, попавшие в область предплазмы электроны могут быть повторно ускорены лазерным импульсом.

Возникающие в плазменной мишени электростатические поля не только существенно влияют на динамику электронов, но и приводят к ускорению протонов в различных направлениях. Исследованию динамики протонов посвящен подраздел 2.4.3. На рис. 5 приводится распределение : - компонент скоростей протонов в момент времени I = 550 фс. Символами Р и AI обозначены области пространства, занимаемые, соответственно, предплазмой и алюминиевой мишенью в начальный момент времени. В результате лазерного воздействия формируются три потока ускоренных протонов: цифрой 1 обозначены протоны, движущиеся с фронтальной поверхности предплазмы навстречу лазерному импульсу (отрицательные значения скоростей); цифрой 2 - протоны из предплазмы, движущиеся вглубь алюминиевой мишени; цифрой 3 - протоны с тыльной поверхности мишени, движущиеся по направлению распространения лазерного импульса. Механизмом, приводящим к формированию потоков протонов 1 и 3, является возникновение электростатических полей разделения зарядов на границах предплазмы и алюминиевой мишени с вакуумом.

40.0

Рис. 5 Распределение ъ - компоненты скорости протонов в момент времени / = 550 фс: 1 -протоны, движущиеся с фронтальной поверхности предплазмы навстречу лазерному импульсу; 2 - протоны из предплазмы, движущиеся вглубь алюминиевой мишени; 3 -протоны с тыльной поверхности мишени, движущиеся по направлению распространения лазерного импульса.

200 400 600 800 1000 1200 1400 фс

Рис. 6 Зависимость максимальных энергий протонов от времени: 1 — протоны с фронтальной поверхности предплазмы, движущиеся навстречу лазерному импульсу; 2 - протоны предплазмы, движущиеся вглубь мишени; 3 - протоны с тыльной поверхности мишени, движущиеся по направлению распространения лазерного импульса; 4 - временная (гауссова) форма лазерного импульса в условных единицах.

Поскольку в случае алюминиевой мишени эта граница оказывается более резкой, то ускоряющие поля, а следовательно, и максимальные энергии протонов оказываются больше, чем в случае размытой границы предплазмы с вакуумом. Рис. 6, на котором показаны зависимости максимальных энергий протонов от времени, подтверждает этот вывод. Полученные в расчете максимальные энергии протонов указанных трех потоков хорошо соответствуют результатам экспериментальной работы [31].

Механизм ускорения протонов под действием электростатических полей на границах мишени (получивший в англоязычной литературе название target normal sheath acceleration) широко исследован в работах различных авторов (см. например, [11, 26, 31, 32]), однако используемые в них аналитические модели нередко несоответствуют друг другу. Мы проанализировали эти модели и уточнили их параметры, в результате чего результаты аналитических расчетов стали точнее описывать данные численного моделирования [А 10, All], В отличие от гладких кривых 1 и 3 на рис. 6, для которых механизм ускорения протонов одинаков, кривая 2, соответствующая протонам, ускоренным из предплазмы по направлению распространения лазерного импульса (группа 2 на рис. 5), испытывает два излома в моменты времени t = 500 фс и t = 700 фс.

Как следует из расчета, в момент времени t = 500 фс протоны предплазмы, ускоренные в направлении лазерного импульса, попадают в алюминиевую мишень, по

которой движутся практически без ускорения. Спустя примерно 200 фс наиболее быстрые протоны выходят из мишени с ее тыльной стороны, попадают в ускоряющее электростатическое поле, в котором продолжают набирать энергию аналогично протонам из группы 3 на рис. 6.

Механизмом, приводящим к первоначальному ускорению протонов предплазмы по направлению распространения лазерного импульса, является световое давление P=2RI(t)/c [22], действующее на критическую поверхность предплазмы (на которой концентрация плазмы достигает значения пс) при отражении от нее лазерного импульса; R - коэффициент отражения лазерного излучения. Как видно из рис.6, на начальном этапе лазерного воздействия (при t < 500 фс) световое давление оказывается наиболее эффективным механизмом ускорения протонов предплазмы вглубь мишени. Используя закон сохранения импульса, переданного излучением тонкому слою предплазмы с плотностью пс , мы получили зависимость координаты критической поверхности от времени в следующем виде:

где гс(0) - начальная координата критической поверхности предплазмы, тр - масса протона. Проведенное сравнение динамики критической поверхности, рассчитанной по формуле (4) с результатами численного моделирования показало их хорошее соответствие.

Раздел 2.5 посвящен аналитическому и численному исследованию особенностей отражения интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов от плазменных мишеней околокритической плотности [А12, А13]. В подразделе 2.5.1 дается краткий обзор последних теоретических и экспериментальных работ, посвященных данному вопросу. В подразделе 2.5.2 на основе общеизвестных формул Френеля получено аналитическое выражение для коэффициента отражения фемтосекундного лазерного импульса от резкой границы плазмы околокритической плотности в случае нормального падения лазерного излучения. При выводе выражения для коэффициента отражения напряженность электрического поля фемтосекундного лазерного импульса представлялась в виде совокупности гармонических компонент путем разложения в интеграл Фурье. Затем каждая гармоника умножалась на соответствующий спектральный коэффициент отражения ЯЕ((о) , (при со > со ,

плазменная частота), и находился полный отраженный импульс путем обратного преобразования Фурье. Анализ зависимости коэффициента отражения от длительности

17

(4)

лазерного импульса показывает, что с уменьшением длительности импульса коэффициент отражения существенно уменьшается. Данный факт является следствием увеличения ширины спектра импульса при уменьшении его длительности.

Зависимость коэффициента отражения от интенсивности лазерного импульса, обусловленная нелинейностью взаимодействия лазерного излучения с плазменной мишенью, исследовалась в подразделе 2.5.3 при помощи двухмерной XZ- версии кода KARAT. Рассматривалось отражение лазерного импульса с длиной волны 1 = 1 мкм, длительностью г = 30 фс и интенсивностью в диапазоне /0 = 10'6 -1021 Вт/см2, падающих нормально (вдоль оси z) на плазменную мишень (с концентрацией электронов и, равной 0.5 пс, 0.75 пс, и пс ). Было установлено, что для всех рассмотренных концентраций п коэффициент отражения сначала убывает в интервале интенсивностей импульса 1016- 510" Вт/см2, затем следует возрастание - локальный максимум находится в интервале 1018 - 1019 Вт/см2, наконец при интенсивности более 1019 Вт/см2 коэффициент отражения вновь убывает практически до нулевых значений (так называемый эффект релятивистского просветления1). Обнаруженное поведение коэффициента отражения обусловлено развитием в плазме вынужденных процессов, влияющих на отражение.

В результате проведенного в подразделе 2.5.4 исследования было установлено, что при воздействии интенсивного лазерного излучения на плазменную мишень в ней возникает продольная квазипериодическая пространственная модуляция электронной плотности, локальные максимумы которой совпадают с минимумами (нулями) электромагнитного поля, а также обусловленная ей продольная (вдоль оси г) компонента электрического поля. Пространственный период модуляции электронной плотности равен половине длины волны лазерного излучения в плазме. Частота продольной компоненты электрического поля равна удвоенной частоте электромагнитной волны. По мере распространения падающей электромагнитной волны вглубь плазменного слоя смещается и указанная пространственная структура электронной плотности. В ходе исследования было получено, что величина скорости смещения локальных экстремумов электронной плотности вглубь плазмы совпадает с фазовой скоростью электромагнитной волны, а величина скорости смещения огибающей структуры электронной плотности Vn совпадает с групповой скоростью

К™ = сф-(ю/с1}р1У электромагнитной волны в плазме. При отражении той части лазерного

импульса, которая падает на плазменный слой с уже сформированной структурой электронной плотности, наблюдается эффект Допплера: в спектре отраженной волны

1 Возможные проявления эффекта просветления, обусловленного переходом металл-диэлектрик при лазерном

испарении металлов, исследованы в работах [А14-А16].

18

присутствует не только исходная частота падающего излучения, но и частотный сдвиг в красную сторону, соответствующий отражению от границы раздела сред, движущейся со скоростью У„.

Проведенные в подразделе 2.5.4 модельные расчеты оптических характеристик подобной слоистой среды показали, что ее наличие объясняет наблюдаемые особенности коэффициента отражения интенсивных лазерных импульсов от плазменных мишеней околокритической плотности.

Третья глава диссертационной работы посвящена моделированию и оптимизации лазерно-плазменньи источников нейтронов и гамма-квантов, возникающих в релятивистской лазерной плазме в результате протекания в ней ядерных и фотоядерных реакций, генерации гамма-квантов тормозного излучения при взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями. Краткое введение в тему третьей главы дается в разделе 3.1.

В разделе 3.2 численно исследуется протекание реакций ядерного синтеза дейтронов (DD - реакций) при облучении интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами мишеней из дейтерированного полиэтилена [А17].

В подразделе 3.2.1 анализируются экспериментальные и теоретические работы по эмиссии нейтронов из мишеней, содержащих дейтерий. В частности, обсуждается используемый в работах [34, 35] метод моделирования эмиссии нейтронов, в котором функции распределения по скоростям быстрых дейтронов, ускоренных в течение лазерного воздействия, рассчитывались при помощи двухмерного PIC- кода, а затем использовались в качестве начальных условий для расчета эмиссии нейтронов при взаимодействии быстрых дейтронов с покоящимися дейтронами мишени методом Монте-Карло. Одним из недостатков метода [34, 35], на что указывают сами авторы работы [34], является невозможность учета динамики нагрева атомов мишени при их взаимодействии с пучками электронов и дейтронов, ускоренных лазерным импульсом.

Нами предложен метод моделирования эмиссии нейтронов, лишенный указанного недостатка, в котором вычисляется вероятность акта DD- реакции на каждом шаге по времени для каждого дейтрона в процессе самосогласованного PIC -моделирования взаимодействия интенсивного лазерного импульса с мишенью, содержащей ионы дейтерия. Данный подход реализован в рамках кода KARAT. Описание блока генерации нейтронов в ходе DD- реакций в коде KARAT, приводится в подразделе 3.2.2.

Тестирование блока генерации нейтронов, описанное в подразделе 3.2.3,

проводилось путем детального сравнения результатов моделирования эмиссии нейтронов в

ходе DD- реакций в релятивистской лазерной плазме предложенным нами методом с

19

результатами работы [35], посвященной моделированию облучения мишени из дейтерированного полиэтилена фемтосекундным лазерным импульсом, а также с результатами экспериментальных работ [36-39].

Мишень представляла собой слой дейтерированного полиэтилена (СОг)„ толщиной /0 = 4 мкм и шириной ¿4 = 12 мкм и моделировалась как однородная бесстолкновительная плазма, состоящая из электронов с концентрацией п, = 1.64-10" см"3, ионов углерода С2+ концентрацией лс =4.11-10" см'3, и дейтронов 0+ концентрацией пп - 8.22-10м см"3, что соответствовало твердотельной плотности дейтерированного полиэтилена рр1 = 1.105 г/см3. Мишень облучалась по нормали лазерным импульсом линейной поляризации со следующими параметрами: длина волны А = 1 мкм, размер гауссова пятна облучения г0 = 3 мкм, длительность импульса г0 = 160фс, интенсивность /0 = Ю20 Вт/см2.

На рис. 7 приводятся полученные в моделировании зависимости полных

кинетических энергий электронов (е~), дейтронов (1Т) и ионов углерода (С2*) от времени. Для сравнения на рисунке штриховой линией показан также временной профиль интенсивности лазерного импульса (в условных единицах).

Полная кинетическая энергия электронов достигает своего максимума на заднем фронте лазерного импульса, после чего начинает уменьшаться. Энергия дейтронов увеличивается со временем и выходит на насыщение спустя примерно 500 фс после окончания лазерного импульса. Эффективность преобразования лазерного излучения в кинетическую энергию дейтронов составила 5 % . Максимальная энергия отдельного дейтрона превышала 11 МэВ. В результате лазерного воздействия на мишень формируются три потока: дейтроны, движущиеся с фронтальной поверхности мишени навстречу лазерному импульсу; дейтроны, движущиеся с фронтальной поверхности вглубь мишени; дейтроны с тыльной поверхности мишени, движущиеся по направлению распространения лазерного импульса. Проведенные расчеты показали, что ускоренной оказывается лишь малая часть дейтронов на фронтальной и тыльной поверхности мишени, в то время как основная масса дейтронов в ее объеме остается холодной. Более того, только дейтроны движущиеся с фронтальной поверхности вглубь мишени (не более 0.5 % от общего количества дейтронов), эффективно участвуют в ОЭ -реакциях.

Выход нейтронов в ОБ- реакциях как функция энергии падающего лазерного импульса приводится на рис. 8.

Е, Дж

t, фс

Рис. 7 Полные кинетические энергии Рис. 8 Выход нейтронов в зависимости от

Сплошной кривой с черными кружками показаны результаты настоящего расчета, пунктирной линией - результаты моделирования [35], а также экспериментальные данные [36-39]. Как видно из графика, используемый нами метод моделирования эмиссии нейтронов позволяет получить лучшее соответствие с экспериментальными данными, чем метод, используемый в работе [35].

На начальной стадии лазерного воздействия важную роль играет процесс многократной полевой ионизации атомов мишени [40, 41]. Для учета данного процесса нами был разработан и внедрен в код KARAT блок многократной полевой ионизации, описание которого приводится в подразделе 3.2.4. В основу этого блока была положена теория нелинейной фотоионизации [42-44].

Использование блока полевой ионизации в условиях предыдущей задачи о взаимодействии интенсивного лазерного импульса с мишенью из дейтерированного полиэтилена [А18], позволило прояснить механизм ионизации атомов в объеме мишени твердотельной плотности. Результаты моделирования приводятся в подразделе 3.2.5. Лазерное излучение, падая на фронтальную поверхность мишени, вызывает ионизацию атомов в тонком поверхностном слое толщиной порядка скин-слоя. Образующиеся при этом свободные электроны, ускоряясь в поле лазерного излучения, создают электрическое поле разделения зарядов, которое приводит к распространению фронта ионизации вглубь мишени

электронов (е ), дейтронов ( Г) ) и ионов

углерода (С2+) в зависимости от времени. Штриховая кривая - временной профиль лазерного импульса (в условных единицах).

энергии падающего лазерного импульса: сплошная линия — результаты настоящего расчета, пунктирная линия - результаты моделирования [35], экспериментальные данные [36-39],

Хотя лазерное излучение не проникает вглубь мишени, а полностью экранируется слоем ионизованного вещества, вся мишень толщиной /„ = 4 мкм оказывается полностью ионизованной. При интенсивности /0 = 1020 Вт/см2 средняя степень ионизации атомов углерода оказывается четырехкратной, при /0 = 1021 Вт/см2 - шестикратной. Учет процесса ионизации атомов углерода оказывает заметное влияние на полный выход нейтронов, поскольку дополнительно возникающие в процессе ионизации "холодные" электроны уменьшают энергию дейтронов, что снижает эффективность DD- реакций. По этой причине перспективными для эффективного протекания DD -реакций являются содержащие дейтерий твердотельные мишени из атомов с малым числом электронов (например, из дейтерида лития).

Дополнительная возможность увеличения выхода нейтронов при интенсивном фемтосекундном лазерном воздействии на мишени, содержащие дейтерий, заключается в использовании объемно структурированных мишеней, в частности, слоистых. На рис. 9 приводится схема счетной области соответствующего численного эксперимента.

При облучении слоистой мишени из дейтерированного полиэтилена интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом на границах каждого слоя формируются электростатические поля разделения зарядов. В этих полях происходит ускорение дейтронов. В результате, внутри слоистой мишени формируются разнонаправленные потоки дейтронов, взаимодействие которых друг с другом и с покоящимися дейтронами мишени существенно увеличивает количество DD- реакций и полный выход нейтронов [А18].

На рис. 10 показано распределение z-компонент электрического поля (черная сплошная кривая) для мишени, состоящей из 16 слоев дейтерированного полиэтилена при ее облучении фемтосекундным лазерным импульсом длительностью 45 фс и интенсивностью /0 = 4 ■ 10 20 Вт/см2: электрическое поле каждого слоя имеет биполярную форму с отрицательным и положительным экстремумами на левой и правой границе слоя, соответственно. В областях экстремума поля происходит наиболее эффективное ускорение дейтронов, и формируются потоки, направленные от границ слоя.

Если расстояние между слоями таково, что электрические поля от левой и правой границ соседних слоев (за исключением крайних левого и правого слоя) начинают перекрываться и взаимно компенсироваться, то эффективность ускорения дейтронов внутри слоистой мишени падает, что приводит к снижению выхода нейтронов. Из проведенных расчетов следует, что при оптимальных размерах полостей (в интервале 0.5 - 1 мкм) в слоистой мишени из дейтерированного полиэтилена выход нейтронов возрастает более чем в 20 раз по сравнению со случаем сплошной мишени.

О 10.0

z(|4m)

Рис, 9 Схема счетной области при облучении фемтосекундным лазереным импульсом слоистой мишени из дейтерированного полиэтилена

Рис. 10 Распределение г-компоненты электрического поля (черная кривая) в мишени, состоящей из 16 слоев. Штриховкой показано распределение плотности дейтронов.

Отметим, что особенности воздействия на объемно-структурированные мишени лазерного излучения с параметрами, характерными для инерционного термоядерного синтеза, подробно исследовались в работах С.Ю. Гуськова, В.Б. Розанова и др. (см., например, обзор [45] и цитируемую там литературу). Несмотря на другой механизм ускорения дейтронов, реализующийся в условиях инерционного термоядерного синтеза, оптимальные параметры слоистых мишеней оказываются практически такими же, как в рассмотренном выше случае фемтосекундного лазерного воздействия.

Раздел 3.3 посвящен моделированию генерации гамма-квантов тормозного излучения при облучении тонких металлических пленок интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами [А19]. Измерение спектров гамма-квантов тормозного излучения может использоваться для диагностики плазмы тонкопленочных мишеней-конвертеров, применяемых в схемах быстрого зажигания термоядерных мишеней в инерционном термоядерном синтезе [46].

В подразделе 3.3.1 приводится обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованиям различных характеристик тормозного излучения ускоренных до релятивистских скоростей электронов при их кулоновском рассеянии на ядрах мишени, включая энергетический спектр и угловое распределение образующихся гамма-квантов. Обращается внимание на имеющиеся трудности при определении температуры горячих электронов по энергетическому спектру гамма-квантов. В частности, в работе [17]

отмечалось, что излучение гамма-квантов имеет выраженную угловую зависимость, поэтому, угол наблюдения гамма-квантов определяет их спектр, а следовательно, и температуру горячих электронов. По существу, вопрос о соотношении энергетических спектров электронов и гамма-квантов оставался открытым.

В подразделе 3.3.2 описана математическая модель блока генерирования гамма-квантов тормозного излучения включенного в код KARAT. В данной математической модели использовались результаты релятивистской теории тормозного излучения электрона на ядре, приведенные в работе [47] и в книге [48].

В подразделе 3.3.3 проводится тестирование блока генерирования гамма-квантов тормозного излучения на задаче, допускающей сравнение с аналитическими формулами: взаимодействии моноэнергетического пучка электронов с холодной плазменной мишенью. Полученные в моделировании энергетический спектр и угловое распределение гамма-квантов тормозного излучения в точности соответствуют аналитическим формулам. Из

проведенных расчетов следует, что средняя энергия гамма-квантов, возникающих в результате взаимодействия пучка электронов с мишенью, оказывается примерно в 25 раз меньше начальной энергии электронов К0 и описывается простой аппроксимационной формулой:

(£у)(МэВ) = 0.039 Ко (МэВ)+0.016, (5)

в которой энергии (¿>)и К0 выражаются в мегаэлектронвольтах.

Подраздел 3.3.4 посвящен моделированию генерации гамма-квантов тормозного излучения при облучении фольги из золота фемтосекундным лазерным импульсом с длиной волны я = 0.91 мкм и интенсивностью /„=10" Вт/см2. Лазерный импульс имел гауссов профиль как по времени, так и по пространству, с длительностью 70 фс и размером пятна г0 = 5 мкм. Мишень представляла собой фольгу из золота толщиной 0.5 мкм и длиной 28 мкм, повернутую на угол 45° относительно направления распространения лазерного импульса. Мишень моделировалась как однократно ионизованная бесстолкновительная

плазма, состоящая из электронов и ионов золота Аи+ с концентрацией и = 5.87-1022 см"3, соответствующей твердотельной плотности золота.

На начальном этапе воздействия лазерного импульса на мишень, область, в которой происходила генерация гамма-квантов приблизительно совпадала с размером лазерного пятна. В дальнейшем область генерации гамма-квантов расширялась и охватывала весь объем мишени.

Рис. 11 Временные зависимости средних энергий Рис.12 Угловое распределение гамма-электронов (кривая 1) и генерируемых ими гамма- квантов тормозного излучения. Стрелкой квантов (кружки). Кривая 2 получена из кривой 1 показано направление распространения пересчетом по формуле (5). лазерного импульса; прямой линией,

расположенной под углом 45°, обозначено положение мишени.

На рис. 11 показана зависимость от времени средней кинетической энергии

электронов (сплошная кривая 1) и гамма-квантов (кружки) (Е^ в области, занимаемой

мишенью. Штриховая кривая 2 получена из кривой 1 пересчетом по формуле (5). Как видно из рисунка, кривая 2 с хорошей точностью описывает поведение средней энергии гамма-квантов. Таким образом, аппроксимационное соотношение (5) устанавливает взаимнооднозначное соответствие между средними энергиями электронов и генерируемых ими гамма-квантов, и может быть использована для выражения одной величины через другую в экспериментах по взаимодействию интенсивных лазерных импульсов с тонкопленочными мишенями.

Ускоренные лазерным импульсом высокоэнергетичные электроны покидают мишень, в основном, во время воздействия лазерного импульса. Угловое распределение покинувших мишень электронов имеет два выраженных максимума: один - в направлении падения лазерного импульса, второй - в направлении, близком к направлению зеркального отражения лазерного излучения от мишени. Однако, основная - низкоэнергетичная часть электронов остается вблизи мишени.

Траектории этих электронов представляют собой суперпозицию колебательного и поступательного движений вдоль мишени. Часто меняя свое направление, электроны имеют возможность излучить гамма-кванты под любым углом. По этой причине угловое

распределение гамма-квантов значительно отличается от углового распределения электронов, покинувших мишень.

На рис. 12 приводятся угловые распределения гамма-квантов, излученных электронами в течение 500 фс (серая кривая) и 1 пс (черная кривая). Стрелкой показано направление распространения лазерного импульса; прямой линией, расположенной под углом 45°, обозначено положение мишени. Как видно из рисунка, угловое распределение гамма-квантов практически симметрично.

Более того, угловое распределение гамма-квантов, излученных в течение первых 500 фс (серая кривая) практически не изменяет свою форму за последующие 500 фс (черная кривая), в течение которых количество гамма-квантов увеличивается вдвое. Это связано с тем, что большинство гамма-квантов генерируются относительно низкоэнергетичными электронами, не покидающими мишень. Однако, в случае высокоэнергетичных электронов, покидающих мишень, и генерируемых ими высокоэнергетичных гамма-квантов (с энергией больше 1 МэВ) их угловые распределения практически повторяют друг друга [А20].

Раздел 3.4 посвящен численному исследованию субпикосекундного источника . нейтронов, образующихся при воздействии интенсивного фемтосекундного лазерного импульса на тонкопленочную мишень из дейтерида палладия с учетом протекающих в ней DD- реакций, генерации гамма-квантов тормозного излучения, а также реакций фоторасщепления дейтронов [А21]. В подразделе 3.4.1 обосновывается выбор дейтерида палладия в качестве вещества, перспективного для эффективного фоторасщепления дейтронов при интенсивном лазерном воздействии. В таких мишенях из-за большого заряда Z ядер палладия эффективно протекает процесс генерации гамма- квантов тормозного излучения (сечение рассеяния пропорционально 2 2), кроме того концентрация дейтерия, растворенного в палладии, может достигать величин, сравнимых с твердотельными [49].

Описание блока реакции фоторасщепления дейтрона, внедренного в код KARAT, приводится в подразделе 3.4.2, в котором сечение реакции фоторасщепления дейтрона вычислялось по известным формулам, учитывающим электрическое и магнитно-дипольное взаимодействие гамма-кванта с дейтроном [50]. Помимо реакции фоторасщепления в расчете моделируется протекание реакций синтеза дейтронов (DD-реакции) по двум практически равновероятным каналам с выходом нейтрона и ядра 3Не, а также с выходом протона и ядра трития. Описание блока DD- реакции с выходом нейтрона и ядра 3Не приводится в подразделе 3.2.2 настоящей главы. Блок, моделирующий реакцию D+D—>Т+р+4.03 МэВ, функционирует аналогично.

В подразделе 3.4.3 описывается постановка численного эксперимента по облучению

интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами мишеней из дейтерида палладия, а

26

также обсуждаются его результаты. Лазерный импульс линейной поляризации с длиной волны я = 1 мкм, размером гауссова пятна облучения г0 = 15 мкм и длительностью гауссова импульса г„ = 50 фс падал на мишень по нормали. В расчетах использовались значения интенсивности лазерных импульсов в диапазоне /0 = 2.5- 10ю + 4■ 102' Вт/см2. Мишень представляла собой слой из дейтерида палладия РсЮо 6 шириной с/0 = 26 мкм, рассматривались значения толщины мишени в диапазоне £=1-3 мкм. Для обеспечения лучшего поглощения лазерного излучения [51] фронтальная поверхность мишени задавалась гофрированной с периодом и глубиной гофрировки 0.5 мкм. Мишень моделировалась как однородная бесстолкновительная плазма, состоящая из электронов с концентрацией пе = 3.427-10н см"3, ионов палладия Рс15+ с массой тм = 106,42 тр , концентрацией

=6.12-10" см"3 и степенью ионизации N = 5, дейтронов О* с массой тв = 2тр и концентрацией пГ) =3.67-10й см'3.

Гамма-кванты с энергией, превышающей порог реакции фоторасщепления дейтерия Ел = 2.23 МэВ, возникают в релятивистской лазерной плазме в результате тормозного излучения ускоренных лазерным импульсом высокоэнергетичных электронов при их кулоновском рассеянии на ядрах палладия. Воздействуя на дейтроны мишени эти гамма-кванты формируют поток нейтронов, полный выход которых в единицу времени (интенсивность) К , оказывается пропорциональным количеству гамма-квантов Ыг л с энергией, превышающей Ел . Энергетический спектр нейтронов, образующихся в ходе реакций фоторасщепления дейтронов, является максвелловским, что отражает характер спектра гамма- квантов, участвующих в этих реакциях.

Помимо реакций фоторасщепления дейтронов, дополнительным источником нейтронов служат реакции синтеза дейтронов (ОО- реакции), в ходе которых образуются нейтроны и ядра гелия 3Не. В отличие от «термализованных» нейтронов, образующихся при фоторасщеплении дейтронов, нейтроны, возникающие в ходе ОО- реакций имеют строго определенную кинетическую энергию 2.45 МэВ в системе центра масс. Полный выход нейтронов , а также максимальная величина интенсивности нейтронного источника в случае ОБ- реакций оказываются примерно на два порядка выше, чем соответствующие величины в случае реакций фоторасщепления дейтронов, поскольку максимальное значение сечения ОО- реакции с выходом нейтрона ( сгт,х п =0.11 Барн) в 55 раз больше максимального значения сечения реакции фоторасщепления дейтрона.

500400-

■& 3005"

£ 200100- 1

0-|---,---,—г-,---,-------г-

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3.0 I., мкм

Рис. 13 Зависимость длительностей импульсов нейтронов, образовавшихся в реакциях фоторасщепления дейтронов (кривая 1) и в ОЭ- реакциях (кривая 2) от толщины мишени Л. Кривая 3 - расчет по формуле (6) при/0 = 1021 Вт/см2 и Л = 0.1.

Рис. 14 Зависимость длительностей импульсов нейтронов, образовавшихся в реакциях фоторасщепления дейтронов (кривая 1), в ОО-реакциях (кривая 2) от интенсивности лазерного импульса /0. Кривая 3 - расчет по формуле (6) при Ь = 2 мкм и Я = 0.1.

На ряс. 13 и 14 приводятся зависимости длительностей импульсов нейтронов, образовавшихся в реакциях фоторасщепления дейтронов (кривая 1) и нейтронов, образовавшихся в ходе ИЭ- реакций (кривая 2) от толщины мишени и интенсивности лазерного импульса, соответственно. Кривая 3 - расчет по формуле (6) (см. ниже). Для объяснения практически линейной зависимости длительности нейтронного импульса от толщины мишени (кривая 2 на Рис. 13) была предложена следующая модель: дейтроны на фронтальной поверхности под действием светового давления лазерного импульса приобретают скорость, направленную вглубь мишени, Ув = ^Р/твпв , где Р = 2Ш0/с -световое давление, Я - коэффициент отражения лазерного импульса от мишени. Двигаясь практически с постоянной скоростью сквозь мишень, дейтроны вступают в ОО- реакции с холодными дейтронами мишени, в ходе которых могут появляться нейтроны. Длительность импульса нейтронов оценим по формуле:

= Щ), (6)

где, напомним, £ - толщина мишени.

Как видно из сравнения кривых 2 и 3 на рис. 13 и 14, формула (6) удовлетворительно описывает зависимости длительности импульса нейтронов, образовавшихся в ходе ОО-реакций, как от толщины мишени Ь, так и от интенсивности лазерного импульса 10.

Полный выход ОО- нейтронов с ростом интенсивности выходит на насыщение

за счет уменьшения времени пролета мишени ускоренными дейтронами и увеличения

28

вероятности DD- реакций, в то время как полный выход нейтронов фоторасщепления N,

продолжает монотонно увеличиваться, поскольку и время, в течение которого возникают гамма- кванты с энергией, превышающей порог фоторасщепления дейтрона, и вероятность этой реакций при увеличении интенсивности лазерного импульса растут. Так, при интенсивности /0=4-Ю21 Вт/см2 величины выхода нейтронов равны Ыг[П = 6.2• 10* и N„r = 9 ■ 104 , соответственно. Можно предположить, что при дальнейшем существенном увеличении интенсивностей лазерных импульсов вклад реакций фоторасщепления дейтронов в выход нейтронов может стать определяющим.

При /0>5-Ю20 Вт/см2 пиковые значения интенсивности Рю лазерно-плазменного нейтронного источника превышают величину 1019 нейтронов в секунду. Оценивая площадь нейтронного источника, как площадь лазерного пятна на мишени (10"5 см2), получим максимальную плотность потока нейтронов не менее 1024 с"'см"2, что на восемь порядков превосходит максимальные плотности потоков существующих нейтронных источников (по данным обзора [52]).

Таким образом, несмотря на то, что полученный полный выход нейтронов существенно ниже, чем у нейтронных источников других типов, значения плотности потока нейтронов рассмотренного лазерно-плазменного нейтронного источника достигают рекордных величин из-за его микронных размеров и субпикосекундной длительности.

Четвертая глава диссертации посвящена созданию теоретической модели и численному исследованию эффекта генерирования электрических импульсов (сигналов) в воде при ее облучении лазерными импульсами инфракрасного диапазона с плотностью энергии ниже порога плазмообразования, обнаруженного в работе [19] и подробно исследованного в [А22, А23].

В разделе 4.1 дается подробный обзор экспериментальных работ, посвященных исследованию этого эффекта, а также приводится его физическая интерпретация.

В разделе 4.2 численно исследуется одномерная модель [А24], описывающая генерирование электрического импульса при облучении воды в закрытой кварцевой кювете лазерным импульсом с параметрами, соответствующими работе [19] (длина волны 3 мкм, коэффициент поглощения а=10'см'1 и длительность 150 не).

В подразделе 4.2.1 сформулирована тепловая часть математической модели, описывающая нагрев воды под действием лазерного импульса и учитывающая процессы теплопроводности в воде и кварцевой кювете [А25], а также динамику расширения паровой полости, возникающей в результате взрывного вскипания воды, если при лазерном нагреве

достигается температура предельного перегрева ТА > 0.9Тс [53], где Тс = 647 К - критическая температура воды [А26 - А34]. Для моделирования эволюции паровой полости после взрывного вскипания использовались испарительные граничные условия для уравнения теплопроводности на границах паровой полости [А27, А32, А34], которые формулировались в рамках модели кнудсеновского слоя [54]. Термодинамические и морфологические неустойчивости одномерной границы жидкость-пар, в данной модели для простоты не учитывались. Влияние теплофизических и оптических свойств вещества на устойчивость одномерного фронта испарения исследовано в работах [А35-А38]. Вычисляемые в тепловой части модели температурные профили и параметры паровой полости использовались далее для нахождения динамики разделения зарядов в воде в электрической части модели.

В подразделе 4.2.2 сформулирована электрическая часть рассматриваемой модели, описывающая процессы диссоциации и рекомбинации ионов Н+ и ОН", их диффузию и движение под действием возникающего в ходе разделения зарядов электрического поля. После образования паровой полости концентрации ионов рассчитывались в ней с учетом потоков на границах раздела, а также ее расширения и сжатия.

В подразделе 4.2.3 приведены численные значения параметров задачи, а также температурные зависимости скорости диссоциации воды, равновесных концентраций и коэффициентов диффузии ионов Н+ и ОН" в воде.

Подраздел 4.2.4 посвящен численному исследованию электрического импульса в воде при интенсивностях лазерного импульса ниже порога взрывного вскипания /А = 1.19 МВт/см2, определяемого из условия достижения в максимуме температурного профиля температуры предельного перегрева Тф = 582 К. В процессе облучения закрытой кварцевой кюветы с водой максимум температурного профиля формируется вблизи границы раздела «кварц-вода» (г = 0) и с течением времени смещается вглубь жидкости.

Скачок температуры (до 40° К) на расстояниях меньше 1 мкм от границы раздела «кварц-вода» приводит к формированию значительных перепадов концентраций и диффузионных потоков ионов Н+ и ОН", направленных из области максимума температурного профиля в сторону границы раздела и вглубь жидкости. В результате область вблизи температурного максимума оказывается обедненной ионами Н+, т.е. заряженной отрицательно, а области вблизи границы раздела и в глубине жидкости -положительно.

На рис. 15 приводятся зависимости электрических сигналов - разностей потенциалов А/р(1) между точками г = 0 и : = 5 мкм (правой границей счетной области) от времени при интенсивностях /0 = 0.5 МВт/см2 (кривая 1) и /0 = 1 МВт/см2 (кривая 2).

О 20 40 60 80 100 120 I, МКС

Рис. 15 Зависимости электрических сигналов от времени при облучении

воды лазерными импульсами с интенсивностями /0 = 0.5 МВт/см2 (кривая 1) и /„ = 1 МВт/см2 (кривая 2) ниже порога взрывного вскипания.

Как видно из рисунка, в диапазоне интенсивностей лазерного излучения ниже порога взрывного вскипания электрический сигнал всегда положителен, а его амплитуда не превышает 6 мВ.

В подразделе 4.2.5 исследуются особенности электрических импульсов в воде при интенсивностях /0 > /„,. В начале лазерного воздействия распределение электрического поля Е в воде, как в предыдущем случае, определяется процессом диффузионного разделения зарядов. Далее, при достижении температуры 7^ = 582 К в максимуме температурного профиля происходит взрывное вскипание и формируется паровая полость. В момент взрывного вскипания скорость расширения паровой полости максимальна и может достигать 1000 см/с по порядку величины, затем она резко уменьшается. После образования паровой полости, электрическое поле в которой примерно в 80 раз больше, чем в окружающей жидкости (в соответствии с условием непрерывности вектора электрической индукции еЕ на границе раздела "жидкость- пар", где е « 80 - диэлектрическая проницаемость воды), основной вклад в полный электрический сигнал Др(/) дает разность потенциалов на границах паровой полости. Этот вывод иллюстрирует рис. 16, на котором представлена зависимость электрического сигнала Л?>(0 (кривая 1) и разности потенциалов на границах паровой полости (кривая 2) от времени при облучении воды лазерным импульсом с пороговой интенсивностью взрывного вскипания =1.19 МВт/см2. Как видно из рисунка,

Рис.16 Зависимость электрического сигнала Др(/) (кривая 1) и разности потенциалов на границах паровой полости (кривая 2) от времени при облучении воды лазерным импульсом с пороговой интенсивностью взрывного вскипания = 1.19 МВт/см2.

при превышении порога взрывного вскипания электрический сигнал становится знакопеременным, а его максимальная величина достигает сотен милливольт. Полученный пороговый характер зависимости электрического сигнала от интенсивности лазерного импульса соответствует имеющимся экспериментальным данным [А22].

В разделе 4.3 численно исследуются некоторые особенности электрического сигнала, возникающего при взаимодействии инфракрасного лазерного излучения с донной поверхностью наполненной дистиллированной водой открытой кварцевой кюветы.

Подраздел 4.3.1 посвящен описанию эксперимента по исследованию электрического сигнала, возникающего при воздействии наносекундных импульсов ОТ- лазера (излучающего в диапазоне длин волн от 2.7 до 3.1 мкм [55]) на донную поверхность открытой кюветы с водой, а также обсуждению его результатов [А39- А42].

В рассматриваемой постановке эксперимента электрический сигнал имел сложную структуру, в которой отчетливо выделялись два пика. Появление первого пика связано с процессами разделения зарядов и взрывным вскипанием перегретой жидкости, исследованию которых посвящен раздел 4.2. Второй пик генерировался с большой временной задержкой т по отношению к первому пику, увеличивающейся с ростом энергии излучения. При максимальном значении энергии излучения Е=1.3 Дж, используемой в эксперименте, величина т достигала 1.2 мс. Анализ данных о перемещении свободной (верхней) поверхности воды однозначно указывал на то, что второй пик появлялся в конце стадии опускания свободной поверхности, которая ранее начинала подниматься вследствие воздействия на нее звуковой волны, обусловленной процессом взрывного вскипания воды вблизи дна кюветы.

Для объяснения результатов эксперимента была разработана математическая модель, описание которой, а также сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными приводится в подразделе 4.3.2. Динамику столба воды в открытой сверху кварцевой кювете при воздействии на него импульса ЭТ лазера можно условно разделить (по масштабу времени) на три стадии. Первая стадия - нагрев излучением НР лазера тонкого (~ 1 мкм) водного слоя у поверхности кварцевого окна (дна) кюветы.

Спустя примерно 250 не после начала лазерного импульса (на заднем фронте импульса) происходит взрывное вскипание воды, сопровождающееся формированием паровой полости и резким увеличением давления до величины давления насыщенного пара при температуре Г1(1, которое затем быстро уменьшается. Под действием разности давления внутри полости и внешнего давления паровая полость начинает быстро расширяться, толкая

вверх водный столб. Расширение паровой полости составляет вторую стадию процесса, сопровождающего воздействие излучения НИ лазера на воду.

Если длительность первой стадии начального нагрева воды не превышает полной длительности лазерного импульса (около 300 не), то вторая стадия продолжается до тех пор, пока давление пара в полости превышает внешнее атмосферное давление (10-30 мкс).

Динамика водного столба и паровой полости на временах много больших 10 мкс составляет третью стадию движения водного слоя.

Момент захлопывания полости, поверхности которой, как указывалось выше, заряжены, должен отражаться на электрическом сигнале, что, вероятно, и наблюдается в эксперименте в форме второго пика электрического сигнала.

Проведенное в подразделе 4.3.2 сравнение экспериментальной зависимости временного интервала г между пиками электрического сигнала и рассчитанного по разработанной модели полного времени движения водного столба от плотности энергии лазерного импульса Ж показало их хорошее соответствие.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

В диссертации решена актуальная научная проблема - расчетно-теоретическое исследование и оптимизация лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучений, имеющая большую научную, практическую значимость и народнохозяйственное значение.

Выводы диссертационной работы:

1. Проведен подробный анализ задачи о движении релятивистской заряженной частицы в поле плоской монохроматической электромагнитной волны. Показано, что движение частицы представляет собой наложение дрейфа с постоянной скоростью и колебательного движения с частотой, отличающейся от частоты поля. Найдена точная зависимость частоты колебаний частицы и скорость ее дрейфа от амплитуды поля, поляризации и начальных условий. Вычислены средние (по периоду колебаний частицы) значения скорости, импульса и энергии частицы.

2. В адиабатическом приближении получено аналитическое решение уравнений движения релятивистской заряженной частицы в плоской квазимонохроматической волне. Найдены выражения для усредненных по периоду колебаний частицы ее координат, скорости, импульса, энергии, а также средней силы, действующей на частицу. Численно решена задача о релятивистском движении заряженной частицы в плоской квазимонохроматической электромагнитной волне. Проведено сравнение результатов

численного расчета с соответствующими результатами, полученными аналитически. Из анализа проведенного сравнения найден критерий применимости адиабатического приближения в зависимости от интенсивности и длительности электромагнитного импульса.

3. Для задачи о взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью /0=2-Ю18 Вт/см2 и длительностью (FWHM) 235 фс с алюминиевой мишенью микронной толщины, на фронтальной поверхности которой присутствует слой водородной предплазмы, проведено подробное сравнение результатов расчета PIC- методом с аналитическими моделями и экспериментальными данными [31]. Показано, в частности, что в первые 500 фс лазерного воздействия световое давление может быть наиболее эффективным механизмом ускорения протонов предплазмы вглубь мишени.

4. Рассчитан выход нейтронов при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на мишени из дейтерированного полиэтилена в диапазоне энергий лазерного излучения 0.2 -20 Дж. Использование подхода, в котором из первых принципов вычисляется вероятность акта DD- реакции на каждом шаге по времени для каждого дейтрона в процессе самосогласованного PIC -моделирования, позволило получить результаты, находящиеся в лучшем согласии с имеющимися экспериментальными данными, чем результаты соответствующих расчетов, выполненных ранее другими авторами [35]. Показано, что при облучении фемтосекундными лазерными импульсами слоистых мишеней из дейтерированного полиэтилена выход нейтронов увеличивается более чем в 20 раз по сравнению со случаем сплошных мишеней за счет формирования в объеме слоистой мишени дополнительных разнонаправленных потоков ускоренных дейтронов, отсутствующих в случае сплошной мишени.

5. Проведено моделирование генерации гамма- квантов тормозного излучения при облучении мишени из золота толщиной 0.5 мкм фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью 1021 Вт/см2. Показано, что средняя энергия электронов оказывается в десятки раз больше средней энергии генерируемых ими гамма- квантов. Получена аппроксимационная формула, устанавливающая взаимно-однозначное соответствие между этими величинами. Исследованы угловые распределения электронов и гамма-квантов. Показано, что угловое распределение только высокоэнергетичных гамма-квантов повторяет угловое распределение электронов, покидающих мишень.

6. Проведено рассчетно- теоретическое исследование лазерно-плазменных источников •

корпускулярного и электромагнитного излучения, возникающих при воздействии

фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью порядка 1021 Вт/см2 на мишени из

дейтерида палладия микронной толщины. Учитывались процессы генерации гамма- квантов

тормозного излучения при кулоновском рассеянии ускоренных электронов на ядрах

34

палладия, реакции фоторасщепления дейтронов гамма- квантами, ядерные реакции синтеза дейтронов. Исследованы энергетические спектры, длительность, интенсивность потоков нейтронов, возникающих в ходе реакций фоторасщепления и синтеза дейтронов в зависимости от толщины мишени и интенсивности лазерного импульса. Получены максимальные значения плотностей потоков нейтронов до 1024 н/(с см2), что на несколько порядков превышает значения, характерные для нейтронных источников не лазерных типов.

7. Разработана математическая модель и проведено численное моделирование эффекта генерирования электрических импульсов в воде в закрытой кювете при ее облучении лазерным излучением инфракрасного диапазона с плотностью энергии ниже порога плазмообразования. Показано, что амплитуда электрического импульса, обусловленного термодиффузионным разделением продуктов диссоциации молекул воды при ее лазерном нагреве, в отсутствие взрывного вскипания воды не превышает десяти милливольт. В случае возникновения взрывного вскипания и формирования паровой полости, напряженность электрического поля в которой в десятки раз больше, чем в окружающей жидкости, амплитуда электрического импульса достигает сотен милливольт.

Список публикаций

[AI] С.Н. Андреев, В.П. Макаров, A.A. Рухадзе, "О движении заряженной частицы в плоской монохроматической электромагнитной волне", Квантовая электроника. 2009. Т. 39. с. 68

[А2] С.Н. Андреев, Ю.И. Еремеичева, В.П. Макаров, A.A. Рухадзе, "О движении заряженной частицы в плоской квазимонохроматической электромагнитной волне", Препринт ИОФ РАН № 3,2013 г.

[A3] С.Н. Андреев, В.П. Макаров, A.A. Рухадзе, "Движение электрона в квазиплоской и квазимонохроматической электромагнитной волне", Инженерная физика. 2012. №4. с. 6 [A4] S.N. Andreev, V.P. Makarov, A.A. Rukhadze, "Average force acting on matter in strong laser fields", Problems of atomic science and technology. 2010. V. 68 . Issue 4. p. 240 [A5] С.Н. Андреев, В.П. Макаров, A.A. Рухадзе, «Средние силы, действующие на вещество в сверхсильных лазерных полях», Сборник докладов IV Всероссийской школы студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, г. Саров, 2010 г., с. 46

[А6] С.Н. Андреев, Ю.И. Еремеичева, В.П. Тараканов, «О движении заряженной частицы в плоской квазимонохроматической электромагнитной волне», Сборник докладов V Всероссийской школы студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, г. Саров, 2011 г., с. 115

[А7] С.Н. Андреев, A.A. Самохин, "Релаксация в ансамбле ограниченных кулоновских пар", Краткие сообщения по физике ФИАН. 2001. № 6. с. 24

[А8] С.Н. Андреев, A.A. Рухадзе, A.A. Самохин, "О "метастабильной" плазме", Квантовая электроника. 2001. Т. 31. с. 845

[А9] С.Н. Андреев, A.A. Рухадзе, В.П. Тараканов, Б.П. Якутов, "Моделирование ускорения протонов при облучении майларовой мишени фемтосекундными лазерными импульсами", Квантовая электроника. 2010. Т. 40. с. 64

[А 10] С.Н. Андреев, В.П. Тараканов, «Ускорение электронов и протонов в сверхсильном лазерном поле: расчеты и модели», Физика плазмы. 2009. Т. 35. с. 1094 [All] С.Н. Андреев, В.П. Тараканов, " PIC-моделирование ускорения заряженных частиц в

35

сверхсильном лазерном поле", Учебное пособие "Специальные разделы физики" под ред. Н.Г. Гусейн-заде, изд. МГТУ МИРЭА, М„ 2011 г., с. 102

[А12] С.Н. Андреев, Ю.И. Еремеичева, В.П. Тараканов "Отражение сверхинтесивного фемтосекундного лазерного импульса от околокритической плазмы", Инженерная физика. 2013. №5. с. 40

[А13] С.Н. Андреев, Ю.И. Еремеичева, В.П. Тараканов «Особенности отражения фемтосекундного лазерного импульса от резкой границы релятивистской лазерной плазмы», Краткие сообщения ио физике ФИАН. 2013. № 8 с. 25

[А14] С.Н. Андреев, A.A. Самохин, «Влияние перехода металл-диэлектрик на процесс лазерного испарения конденсированной среды», Краткие сообщения по физике ФИАН. 2001. № 12. с. 12

[А15] S.N. Andreev, I.N. Kartashov, A.A. Samokhin, D. Grevey, «Laser-induced transparency during nanosecond laser ablation», Proceedings of SPIE. 2003. V. 5121. р.16 [A16] С.Н. Андреев, В.И. Мажукин, H.M. Никифорова, A.A. Самохин, «О возможных проявлениях эффекта просветления при лазерном испарении металлов», Квантовая Электроника. 2003. Т.ЗЗ. с. 771

[Al 7] С.Н. Андреев, С.Г. Гаранин, A.A. Рухадзе, В.П. Тараканов, Б.П. Якутов, "Моделирование эмиссии нейтронов при облучении мишеней из дейтерированного полиэтилена интенсивными лазерными импульсами", Квантовая электроника. 2011. Т. 41. с. 377

[А18] С.Н. Андреев, С.Г. Гаранин, Ю.И. Еремеичева, A.A. Рухадзе, В.П. Тараканов, Б.П. Якутов, "Оптимизация выхода нейтронов при сверхинтенсивном лазерном воздействии на мишени из дейтерированного полиэтилена", Квантовая Электроника. 2012. Т. 42. с. 600 [А19] С.Н. Андреев, С.Г. Гаранин, A.A. Рухадзе, В.П. Тараканов, Б.П. Якутов, "Моделирование генерации гамма-квантов тормозного излучения при облучении тонких металлических пленок сверхинтенсивными фемтосекундными лазерньми импульсами", Квантовая электроника. 2010. Т. 40. с. 355

[А20] С.Н. Андреев, "Моделирование из первых принципов процессов ионизации, тормозного излучения и ядерных реакций в релятивистской лазерной плазме", Инженерная физика. 2012. № 6. с. 44

[А21] С.Н. Андреев, Ю.И. Еремеичева, В.П. Тараканов, " Моделирование термоядерных процессов при воздействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на тонкопленочные мишени из дейтерида палладия ", Прикладная физика и математика. 2013. Т.1. с. 3

[А22] S.N. Andreev, N.N. Ilichev, K.N. Firsov, S.Yu. Kazantsev, I.G. Kononov, L.A. Kulevsky, P.P. Pashinin, "Generation of an electrical signal upon the interaction of laser radiation with water surface", Laser Physics. 2007. V. 17. p. 1041

[A23] С.Н. Андреев, H.H. Ильичев, С.Ю. Казанцев, И.Г. Кононов, Л.А. Купевский, П.П. Пашинин, К.Н. Фирсов "О природе электрического сигнала при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью воды", Электронный журнал "Исследовано в России". 2006. 094, с. 892 (http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/094.pdf)

[А24] С.Н. Андреев, Л.А. Кулевский, «Моделирование эффекта генерирования электрического сигнала в воде под действием лазерного излучения», Прикладная физика, 2008. № 4. с. 30

[А25] С.Н. Андреев, A.A. Самохин, «Какая теплоемкость стоит в уравнении теплопроводности ?», Краткие сообщения по физике ФИАН. 2003. № 11. с. 35. [А26] С.Н. Андреев, И.Н. Карташов, A.A. Самохин, "Моделирование объемного вскипания при лазерном испарении поглощающих конденсированных сред", Краткие сообщения по физике ФИАН. 2003. №. 6. с. 10

[А27] С.Н. Андреев, C.B. Орлов, A.A. Самохин, «Моделирование взрывного вскипания при импульсном лазерном воздействии», Труды ИОФАН. 2004. Т. 60. с. 127 [А28] С.Н. Андреев, В.И. Вовченко, A.A. Самохин, «Исследование взрывного вскипания

прозрачной жидкости на металлической подложке, облучаемой наносекундными лазерными импульсами», Труды ИОФАН. 2004. Т. 60. с. 149

[А29] S.N. Andreev, K.N. Firsov, I.G. Kononov, A.A. Samokhin, «Photoacoustic and vaporization pressure behavior in absorbing liquids heated by infrared laser pulses», Proceedings of SPIE. 2005. V. 6161. p. 616104

[A30] S.N. Andreev, A.A. Samokhin, I.Yu. Smurov, «On the theory of explosive boiling of

transparent liquid on a laser heated target», Applied Surface Science. 2006. V. 252. p. 4506

[A31] C.H. Андреев, A.A. Самохин, И.Ю. Смурое, «О начале взрывного вскипания при

наносекундном нагреве», Известия ВУЗов. Приборостроение. 2006. Т. 49. с. 43

[А32] S.N. Andreev, S. V. Orlov, A.A. Samokhin, «Modeling of Explosive boiling during pulsed

laser irradiation», Physics of Wave Phenomena. 2007. V.15. p. 67

[A33] S.N. Andreev, V.I. Vovchenko, A.A. Samokhin, «Study of explosive boiling of transparent liquid on metal substrate exposed to nanosecond laser pulses», Physics of Wave Phenomena. 2007. V. 15. p. 182

[A34] S.N. Andreev, K.N. Firsov, S.Yu. Kazantsev, I.G. Kononov A.A. Samokhin, "Explosive Boiling of Water Induced by the Pulsed HF-Laser Radiation", Laser Physics. 2007. V. 17. p. 834 [A35] C.H. Андреев, В.И. Мажукин, A.A. Самохин, «Поведение возмущения на фронте испарения при объемном нагреве конденсированных сред», Краткие сообщения по физике ФИАН. 2003. №9. с. 31

[А36] S.N. Andreev, I.N. Kartashov, A.A. Samokhin, I.Yu. Smurov, «Thermodynamical and morphological instabilities in laser-matter interaction», Proceedings of SPIE. 2003. V. 5399. p.283 [A37] C.H. Андреев, A.A. Самохин, «Об инкременте испарительной неустойчивости», Краткие сообщения по физике ФИАН. 2005. № 4. с. 26

[А38] С.Н. Андреев, А.А. Самохин, «Влияние теплофизических и оптических свойств вещества на устойчивость фронта испарения», Теплофизика высоких температур. 2006. Т. 44. с. 59

[А39] С.Н. Андреев, С.Ю. Казанцев, И.Г. Кононов, 17.17. Пашинин, К.Н. Фирсов, "Временная структура электрического сигнала при взаимодействии излучения HF лазера с поверхностью воды", Квантовая электроника. 2009. Т. 39. с. 179

[А40] С.Н. Андреев, С.Ю. Казанцев, И.Г. Кононов, П.П. Пашинин, К.Н. Фирсов, "Генерирование электрического сигнала при взаимодействии излучения HF лазера с донной поверхностью столба воды", Квантовая электроника. 2010. Т. 40. с. 716 [А41] S.N. Andreev, K.N. Firsov, S.Yu. Kazantsev, I.G. Kononov, P.P. Pashinin, Zhang Lai-ming, Ruan Peng, «Electric signal generated under action of HF laser pulse on surface of a water column», Chinese Journal of optics. 2011. V. 4. № 1. p. 21

[A42] C.H. Андреев, "Эффект генерирования электрического сигнала при воздействии лазерного излучения ИК-диапазона на воду", Инженерная физика. 2012. № 5. с.13

Цитированная литература

[1] Mourou G„ Tajima Т., Bulanov S. V., Rev.Mod.Phys. 2006. V. 78. р. 309

[2] Беляев B.C. и др. Ядерная Физика. 2009. Т. 72. с. 1123

[3] Фортов В.Е. УФН. 2009. т. 179. с. 653

[4] Беляев B.C. и др. Ядерная Физика. 2013. Т. 76. с. 441

[5] Гуськов С.Ю. Квантовая электроника. 2001. Т. 31 с. 885

[6] Edwards R.D. el а!., AppI.Phys.Lett. 2002. V. 80. р. 2129

[7] EwaldF. et al., Plasma Phys. Control. Fusion. 2003. V. 45. p. A83

[8] Ledingham K. W. D. et a!., J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. p L79

[9] Рябов Ю.В. и др. ФТТ. 2010. Т. 52. с. 957

[10] SchwoererH. et al. Phys.Rev.Lett. 2001. V. 86. p. 2317

[11] Fuchs J. et al. Nature physics. 2006. V.2. p.48

[12] Robson L. etal. Nature physics. 2007. V.3 p.58

[13] Pukhov A. Rep. Prog. Phys. 2003. V. 66. P. 47

[14] Беляев B.C., Крайнов В.П., Лисица B.C., Матафоиов А.П. УФН. 2008. Т.178. с.823

[15] Courtois С. etal., Phys. Plasmas. 2009. V.16. 013105

[16] Key M.H. et al., Phys. Plasmas.1998. V.5. p. 1966

[17] Norreys P.A. et al., Phys. Plasmas. 1999. V.6. p. 2150

[18] Hatchett S.P. et al., Phys. Plasmas. 2000.V. 7. p. 2076

[19] H.H. Ильичёв, Jl.A. Кулевский, П.П. Пашинин, Квантовая Электроника. 2005. Т. 35, № 10, с. 959

[20] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука. 1973

[21] Scheid W., Нога Н. Laser and Particle Beams. 1989. V. 7. p. 315

[22] Wilks S.C., Kruer W.L., TabakM., LangdonA.B. PRL. 1992. V. 69. p.1383

[23] Wilks S.C. et. al. Phys. Plasmas. 2001. V. 8. p. 542

[24] Sentoku Y„ Cowan Т.Е., Kemp A., Ruhl H. Phys. Plasmas. 2003. V. 10. p. 2009

[25] d'Humieres E„ Lefebvre E„ Gremillet L„ Malka V. Phys. Plasmas. 2005. V. 12. 062704

[26] Mora P. Phys. Rev. E. 2005. V. 72. 056401

[27] Oishi У. et. al. Phys. Plasmas. 2005. V. 12. 073102

[28] Гапонов А.В., Миллер M.А. ЖЭТФ. 1958. T. 34. c. 751

[29] Tarakanov V.P. User's Manual for Code KARAT. VA. USA: Berkeley Research Associates, Inc. 1992

[30] Ceccotti Т., Levy A., Popescu H. et al. Phys.Rev.Letters. 2007. V. 99, 185002

[31] Максимчук А. Флиппо К., Краузе X. и др. Физика Плазмы. 2004. Т. 30. с.514

[32] Kaluza М„ Schreiber J., Santala M.l.K. et al. PRL 2004. V. 93. 045003

[33] Беляев B.C. и др. Ядерная Физика. 2010. Т. 73. с. 1871

[34] Toupin С., Lefebvre Е„ Bonnaud G. Phys. Plasmas, 2001,V. 8. p. 1011

[35] Petrov G.M., Davis J. Phys. Plasmas. 2008. V. 15. 073109

[36] Hilscher D. et al. Phys. Rev. E, 2001, V. 64, 016414

[37] DisdierL., Garconnet J-P., Malka G„ MiquelJ-L. Phys.Rev.Lett. 1999. V. 82. p. 1454

[38] Pretzler G. et-al. Phys. Rev. E. 1998. V. 58, p. 1165

[39] Беляев B.C. и др. ЖЭТФ. 2004. Т. 98. с. 1133

[40] Manclossi М. et al. PRL. 2006. V. 96. 125002

[41] Debayle A., Tikhonchuk V.T. Phys. Rev. E. 2008.V. 78. 066404

[42] Келдыш Л.В. ЖЭТФ, 1964, Т. 47, с. 1945,

[43] Делоне Н.Б., Крайнов В.П. УФН, 1998. Т. 68, с. 531

[44] Попов В. С. УФН. 2004. Т. 174, с. 921

[45] Gus'kov S.Yu. J. Russian Laser Research. 2010. V. 31. p. 574

[46] LeiA.L. etal. PRL. 2006. V. 96. 255006

[47] Gluckstern R.L., HullM.H., Phys.Rev.,-1953, V. 90, p. 1030

[48] Берестецкий В.Б., Лифшиц E.M., Питаевский Л.П., Квантовая элекгродинамикаДМ.: Наука, 1980)

[49] V.E. Antonov, V.K. Fedotov, В.А. Gnesin, G. Grosse, A. S. Ivanov, A.I. Kolesnikov, and F.E. Wagner, Europhys. Lett, 2000, V. 51, p. 140

[50] RR Roy, B.P. Nigam, Nuclear Physics. Theory and experiment, (New Age International LTD, Publishers, 591 P., 1967)

[51] A. Andreev, N. Kumar, K. Platonov, A. Pukhov, Phys. Plasmas. 2011. V.18. 103103

[52] Б.В. Kymeee и др. , Физика плазмы. 2010. Т. 36, № 4, с. 307-346

[53] В.П. Скрипов, Метастабильная жидкость, (М.: Наука. 1972)

[54] В.И. Мажукин, П.А. Прудковский, А.А. Самохин, Математическое моделирование. 1993. Т. 5, с. 3

[55] А.С. Башкин, В.И. Игошин, А.Н. Ораевский, В.А. Щеглов, Химические лазеры, (М.: Наука, 1982)

Подписано в печать: 07.11.13

Объем 2,1 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 130 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, ул. Ленинский проспект, д.2 8(495)978-66-63, www.reglet.ru

На правах рукописи

05201450560

Андреев Степан Николаевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ КОРПУСКУЛЯРНОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-2013

Содержание

• Введение 3

• Глава 1. Движение заряженной частицы в интенсивном лазерном поле 12

• Глава 2. Моделирование процессов ускорения электронов и ионов при взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с веществом 54

• Глава 3. Моделирование источников нейтронов и гамма- квантов при взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с веществом 109

• Глава 4. Особенности взаимодействия интенсивного лазерного излучения трехмикронного диапазона с водой 185

• Заключение 226

• Список публикаций автора по теме диссертации 229

• Цитированная литература 234

Введение.

Актуальность темы.

Создание в последние десятилетия лазерных установок петаваттного уровня позволило ученым начать исследования нового уникального физического объекта - релятивистской лазерной плазмы, возникающей при воздействии интенсивного лазерного излучения на газовые, кластерные и твердотельные мишени [1].

Присутствие в релятивистской лазерной плазме потоков высокоэнергетичных электронов и ионов, а также их взаимодействие друг с другом и с веществом мишени обеспечивает протекание различных ядерных и фотоядерных реакций, генерацию электромагнитных полей в широком диапазоне длин волн от терагерцового до гамма- излучения [2]. Фактически, релятивистская лазерная плазма является тем уникальным объектом, который позволяет в лабораторных условиях моделировать и исследовать различные экстремальные состояния вещества, характерные для задач неуправляемого и управляемого термоядерного синтеза [3], лабораторной астрофизики [4] и др.

Релятивистская лазерная плазма, как источник корпускулярного и электромагнитного излучения, представляет большой интерес для множества приложений.

Моноэнергетические пучки ускоренных протонов, ускоренных до энергий около 200 МэВ, востребованы для целей адронной терапии. В обзоре [1] описаны эффективные методы создания таких пучков, например, при облучении интенсивными лазерными импульсами двухслойных мишеней, содержащих тяжелые ионы и локализованные на тыльной поверхности мишени протоны. Предложенный в работе [5] метод прямого зажигания термоядерных мишеней пучками легких ионов из лазерной плазмы является перспективным в ядерном синтезе с инерционным удержанием.

Лазерно-плазменные источники гамма-излучения обладают такими характеристиками, как высокая спектральная яркость, микронные размеры, пикосекундная длительность импульса, узкая диаграмма направленности, благодаря которым они являются перспективными для радиографии [6], производства короткоживущих изотопов [7], дезактивации радиоактивных отходов [7, 8]. Детальное изучение свойств лазерных источников гамма-излучения необходимо также в задачах лабораторной астрофизики [4].

Среди короткоимпульсных нейтронных источников, наиболее перспективных для спектрометрии по времени пролета, используемой как в физике конденсированного состояния, так и в исследованиях структуры атомного ядра [9], особое положение занимают лазерно-плазменные источники нейтронов из-за своей сверхкороткой (субпикосекундной) длительности и сверхмалого (микронного) размера [10].

Для разработки новых и оптимизации существующих лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения необходимы адекватные теоретические модели процессов, протекающих при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с плазмой.

Наиболее распространенным и информативным методом теоретического исследования таких процессов является численное моделирование методом «крупных частиц» (в англоязычной литературе PIC (Particle In Cell) - метод). Помимо численных расчетов разрабатываются также простые аналитические модели, позволяющие, в частности, оценить вклад различных физических механизмов в процесс лазерного ускорения заряженных частиц и, тем самым, улучшить понимание результатов расчетов, а также лазерно-плазменных процессов в целом (см, например, [11-14]).

Во многих работах (см. например, [10,15-18]), посвященных моделированию лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения, используется подход, содержащий два этапа. На первом этапе PIC- методом моделируется воздействие интенсивного лазерного излучения на мишень, и вычисляются функции распределения ускоренных электронов и ионов в образовавшейся релятивистской лазерной плазме. Затем, эти функции распределения используются в качестве начальных условий в постпроцессоре, основанном на методе Монте-Карло, моделирующем протекание ядерных реакций и других процессов в веществе мишени при распространении в нем потоков заряженных частиц. Данный подход не позволяет самосогласованно учесть влияние электромагнитных полей на движение заряженных частиц в веществе, а также влияние нагрева вещества, обусловленного этим движением, на протекание указанных процессов. Другим недостатком этого подхода является принципиальная невозможность моделирования ядерных реакций при взаимодействии друг с другом разнонаправленных пучков заряженных частиц, формирующихся, например, при облучении мишеней, содержащих микрополости.

Таким образом, проведенные к настоящему времени теоретические и экспериментальные работы по исследованию релятивистской лазерной плазмы оставляют ряд открытых вопросов. Одним из наиболее существенных с точки зрения разработки новых источников корпускулярного и электромагнитного излучения является следующий: не разработаны удовлетворительные теоретические модели, позволяющие самосогласованно описывать такие процессы в релятивистской лазерной плазме, как генерация гамма- излучения, ядерные и фотоядерные реакции.

В диссертации также изучены процессы, протекающие при воздействии на жидкую воду импульсного лазерного излучения

трехмикронного диапазона с интенсивностью ниже порога плазмообразования, приводящие к генерированию в воде электромагнитных импульсов (сигналов). Это явление было экспериментально обнаружено в работе [19], авторами которой была предложена гипотеза, объясняющая возникновение в воде разности потенциалов вследствие пространственного разделения ионов Н+ и ОН" под действием лазерного излучения, однако теоретическая модель этого нового эффекта до настоящего времени отсутствовала.

Целью диссертационной работы является построение адекватных расчетно-теоретических моделей взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом, в которых учитываются процессы генерации гамма-квантов тормозного излучения ускоренными электронами при их рассеянии на атомных ядрах мишени, многократная полевая ионизация атомов мишени, ядерные и фотоядерные реакции, для разработки новых и оптимизации существующих лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения.

Научные задачи диссертации включают в себя: развитие и численную проверку аналитической теории движения релятивистской заряженной частицы в поле фемтосекундного лазерного импульса; последовательное сравнение результатов PIC- моделирования с простыми аналитическими моделями, позволяющими не только достаточно точно оценить основные параметры лазерного ускорения заряженных частиц, но и описать динамику их изменения на относительно протяженном интервале времени; расчетно-теоретическое исследование и оптимизацию лазерно-плазменного источника нейтронов при помощи оригинального подхода, в котором из первых принципов вычисляется вероятность акта реакции ядерного синтеза дейтронов на каждом шаге по времени для каждого дейтрона в процессе

самосогласованного моделирования PIC - методом взаимодействия интенсивного лазерного импульса с мишенью, содержащей ионы дейтерия; моделирование генерации гамма- квантов тормозного излучения при облучении интенсивными лазерными импульсами мишеней из золота микронной толщины; моделирование реакций синтеза и фоторасщепления дейтронов при облучении мишеней из дейтерида палладия интенсивными лазерными импульсами с целью создания нейтронного источника с рекордной плотностью потока нейтронов; построение теории эффекта генерирования электрических сигналов в воде в закрытой кювете при ее облучении лазерными импульсами инфракрасного диапазона с плотностью энергии ниже порога плазмообразования.

Научная новизна диссертационной работы определяется основными результатами, перечисленными ниже:

1. Найдена точная зависимость частоты колебаний релятивистской заряженной частицы и скорость ее дрейфа в плоской монохроматической электромагнитной волне от амплитуды поля, поляризации и начальных условий. Показано, что движение частицы в волне с медленно меняющейся амплитудой приближенно описывается формулами для движения частицы в монохроматической волне с заменой в них постоянной амплитуды поля на его амплитуду в точке нахождения частицы, и найден критерий применимости данного приближения.

3. Численно исследована динамика формирования импульсов нейтронов, образующихся в результате взаимодействия разнонаправленных потоков дейтронов при облучении фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью Вт/см2 слоистых мишеней микронной толщины из дейтерированного полиэтилена. Найдены оптимальные параметры слоистой мишени,

позволяющие увеличить выход нейтронов более чем в 20 раз по

сравнению со случаем сплошной мишени.

Рассчитаны параметры нейтронных импульсов, формирующихся в

результате воздействия фемтосекундных лазерных импульсов с

21 2

интенсивностью порядка 10 Вт/см на микронные мишени из дейтерида палладия. Получены нейтронные импульсы длительностью около 100 фс с максимальными значениями плотностей потоков нейтронов до 1024 н/(с см2), что на несколько порядков выше значений, характерных для современных нейтронных источников не лазерных типов.

4. Проведено моделирование генерации гамма- квантов

тормозного излучения при облучении мишени из золота толщиной 0.5

21

мкм фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью 10 Вт/см . Показано, что средняя энергия электронов оказывается в десятки раз больше средней энергии генерируемых ими гамма- квантов. Получена аппроксимационная формула, устанавливающая взаимнооднозначное соответствие между этими величинами.

5. Рассчитаны величины электрических импульсов, возникающих в воде в закрытой кювете при ее облучении лазерными импульсами инфракрасного диапазона с плотностью энергии ниже порога плазмообразования. Показано, что амплитуда электрического импульса, обусловленного термодиффузионным разделением продуктов диссоциации молекул воды при ее лазерном нагреве, в отсутствие взрывного вскипания воды не превышает десяти милливольт. В случае возникновения взрывного вскипания воды и формирования в ней паровой полости, напряженность электрического поля в которой в десятки раз больше, чем в окружающей жидкости, амплитуда электрического импульса достигает сотен милливольт.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректностью использованных аналитических и численных методов, совпадением результатов моделирования с экспериментальными данными. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в реферируемых научных журналах и изданиях, неоднократно обсуждались на различных конференциях, научных семинарах и получили признание ведущих специалистов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Релятивистская лазерная плазма, возникающая при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью порядка 1021 Вт/см на мишени из дейтерида палладия микронной толщины, представляет собой источник гамма-квантов и нейтронов с длительностью порядка 100 фс и максимальной плотностью потока

24 2

нейтронов до 10 н/(с см ), что на несколько порядков превышает значения, характерные для современных не лазерных нейтронных источников.

2. Полный выход нейтронов в ОЭ - реакциях при облучении фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью порядка

1 д л 1

10 - 10 Вт/см слоистых мишеней из дейтерированного полиэтилена с субмикронными размерами полостей увеличивается более чем в 20 раз по сравнению со случаем сплошных мишеней за счет формирования на границах полостей электростатических полей разделения заряда и, как следствие, дополнительных разнонаправленных потоков ускоренных дейтронов, отсутствующих в случае сплошной мишени.

3. При воздействии фемтосекундного лазерного импульса с

21 2

интенсивностью порядка 10 Вт/см на металлическую мишень субмикронной толщины, ускоренные электроны со средней энергией К0 генерируют гамма-кванты тормозного излучения со средней энергией

(Ег), связанной с К0 аппроксимационным соотношением (ЕГ} = 0.039К0 +0.016, где (е^ и АГ0 выражаются в мегаэлектронвольтах.

4. Движение релятивистской заряженной частицы в плоской электромагнитной волне с медленно меняющейся амплитудой приближенно описывается формулами для движения частицы в монохроматической волне с заменой в них постоянной амплитуды поля на его амплитуду в точке нахождения частицы. Критерий применимости данного приближения для гауссовского импульса имеет вид

, где Г\¥НМ - длительность импульса, ц = /Я2 /(1.37-1018), /

FWHM_ >

2

(Вт/см ) - интенсивность, Я(мкм) - длина волны, Т - период колебаний электромагнитной волны.

5. Причиной возникновения электрических импульсов в воде и некоторых других полярных жидкостях при их облучении инфракрасным лазерным излучением с интенсивностью ниже порога плазмообразования является термодиффузионное разделение продуктов диссоциации жидкости при ее лазерном нагреве. В случае возникновения взрывного вскипания жидкости и формирования в ней паровой полости, напряженность электрического поля в которой в десятки раз больше, чем в жидкости, амплитуда электрических импульсов существенно возрастает.

Практическая ценность результатов работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке новых и оптимизации существующих лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения, а также в экспериментальных исследованиях новых типов мишеней и режимов лазерного воздействия на современных лазерных установках петаваттного уровня мощности, перспективных для задач лазерного термоядерного синтеза, диагностики быстропротекающих процессов, адронной терапии, лабораторной астрофизики и др.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы

докладывались на Международных конференциях ICONO/LAT (2007,

2010, 2013), Laser Optics (2010, 2012), Plasma physics and plasma

10

technologies -2009, Nonlinear Optics: East-West Reunion -2011, Международном симпозиуме Complex systems of charged particles and their interaction with electromagnetic radiation (2008, 2010, 2011, 2012, 2013), на Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013), XIV Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» ФИАН - 2012, на научном семинаре ИПФ РАН, научном семинаре ОИВТ РАН, научном семинаре ИС РАН, научном семинаре ИЛФИ ФГУП РФЯЦ ВНИИЭФ, различных научных семинарах ИОФ РАН.

Личный вклад автора определяется непосредственным, а в большинстве случаев, определяющим участием на всех стадиях выполнения работы, включая анализ текущего состояния научной проблемы, постановку задач, построение математических моделей, проведение численного моделирования, анализ и интерпретацию полученных данных, а также публикацию результатов. Под руководством автора подготовлена одна диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук.

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 42 статьях, из которых 29 входят в перечень рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 248 страницах и содержит 69 рисунков, 1 таблицу и списки цитируемой литературы (по главам, общее число ссылок 197, включая пересекающиеся).

ГЛАВА 1. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ В ИНТЕНСИВНОМ ЛАЗЕРНОМ ПОЛЕ

1.1 Введение

Проблема лазерного ускорения частиц исследуется в течение уже нескольких десятилетий (см. [1-3] и цитируемую там литературу). При анализе имеющихся экспериментальных результатов и прогнозировании результатов вновь предлагаемых экспериментов приходится прибегать к численным расчетам, так как точное аналитическое решение задачи о движении частицы в поле реального лазерного импульса невозможно (см. [4-7]). Чтобы быть уверенным в корректности ком