Автореферат (Моделирование и оптимизация лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения)

На правах рукописиАндреев Степан НиколаевичМОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВКОРПУСКУЛЯРНОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ01.04.21 - Лазерная физикаАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении наукиИнституте общей физики им.

А.М. Прохорова Российской академии наукНаучный консультант:Рухадзе Анри Амвросиевичдоктор физико-математических наук, профессор,Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, главный научныйсотрудникОфициальные оппоненты:Крайнов Владимир Павловичдоктор физико-математических наук, профессор,Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская обл., профессорМатафонов Анатолий Петрович,доктор физико-математических наук,ФГУП ЦНИИМаш, г.

Королев, Московская обл., заместитель начальника отделаУрюпин Сергей Александровичдоктор физико-математических наук,Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, заведующий секторомВедущая организация:ФГУП РФЯЦ ВНИИЭФ, г. Саров, Нижегородская обл.Защита состоится 20.02.2014 г. в 15:00на заседании диссертационного совета Д 501.001.31при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносовапо 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 имениМ.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27).Автореферат разосланноября 2013 г.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью просьбавысылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.Ученый секретарь диссертационного советаА.А. Коновкотел. +7 (495) 939-30-922ВведениеАктуальность темы.Создание в последние десятилетия лазерных установок петаваттного уровня позволилоученым начать исследования нового уникального физического объекта - релятивистскойлазерной плазмы, возникающей при воздействии интенсивного лазерного излучения нагазовые, кластерные и твердотельные мишени [1].Присутствие в релятивистской лазерной плазме потоков высокоэнергетичныхэлектронов и ионов, а также их взаимодействие друг с другом и с веществом мишениобеспечивает протекание различных ядерных и фотоядерных реакций, генерациюэлектромагнитных полей в широком диапазоне длин волн от терагерцового до гаммаизлучения [2].

Фактически, релятивистская лазерная плазма является тем уникальнымобъектом, который позволяет в лабораторных условиях моделировать и исследоватьразличные экстремальные состояния вещества, характерные для задач неуправляемого иуправляемого термоядерного синтеза [3], лабораторной астрофизики [4] и др.Релятивистская лазерная плазма, как источник корпускулярного и электромагнитногоизлучения, представляет большой интерес для множества приложений.Моноэнергетические пучки ускоренных протонов, ускоренных до энергий около 200МэВ, востребованы для целей адронной терапии. В обзоре [1] описаны эффективные методысоздания таких пучков, например, при облучении интенсивными лазерными импульсамидвухслойных мишеней, содержащих тяжелые ионы и локализованные на тыльнойповерхности мишени протоны. Предложенный в работе [5] метод прямого зажиганиятермоядерных мишеней пучками легких ионов из лазерной плазмы является перспективнымв ядерном синтезе с инерционным удержанием.Лазерно-плазменные источники гамма-излучения обладают такими характеристиками,как высокая спектральная яркость, микронные размеры, пикосекундная длительностьимпульса,узкаядиаграмманаправленности,благодарякоторымониявляютсяперспективными для радиографии [6], производства короткоживущих изотопов [7],дезактивации радиоактивных отходов [7, 8].

Детальное изучение свойств лазерныхисточников гамма-излучения необходимо также в задачах лабораторной астрофизики [4].Среди короткоимпульсных нейтронных источников, наиболее перспективных дляспектрометрии по времени пролета, используемой как в физике конденсированногосостояния, так и в исследованиях структуры атомного ядра [9], особое положение занимаютлазерно-плазменные источники нейтронов из-за своей сверхкороткой (субпикосекундной)длительности и сверхмалого (микронного) размера [10].3Для разработки новых и оптимизации существующих лазерно-плазменных источниковкорпускулярного и электромагнитного излучения необходимы адекватные теоретическиемодели процессов, протекающих при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов сплазмой.Наиболее распространенным и информативным методом теоретического исследованиятаких процессов является численное моделирование методом «крупных частиц» (ванглоязычной литературе PIC (Particle In Cell) – метод).

Помимо численных расчетовразрабатываются также простые аналитические модели, позволяющие, в частности, оценитьвклад различных физических механизмов в процесс лазерного ускорения заряженных частици, тем самым, улучшить понимание результатов расчетов, а также лазерно-плазменныхпроцессов в целом (см, например, [11-14]).Во многих работах (см. например, [10,15-18]), посвященных моделированию лазерноплазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения, используетсяподход, содержащий два этапа. На первом этапе PIC- методом моделируется воздействиеинтенсивного лазерного излучения на мишень, и вычисляются функции распределенияускоренных 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 другихпроцессов в веществе мишени при распространении в нем потоков заряженных частиц.Данный подход не позволяет самосогласованно учесть влияние электромагнитных полей надвижение заряженных частиц в веществе, а также влияние нагрева вещества, обусловленногоэтим движением, на протекание указанных процессов.

Другим недостатком этого подходаявляетсяпринципиальнаявзаимодействиидругсневозможностьдругоммоделированияразнонаправленныхядерныхпучковреакцийзаряженныхпричастиц,формирующихся, например, при облучении мишеней, содержащих микрополости.Такимобразом,проведенныекнастоящемувременитеоретическиеиэкспериментальные работы по исследованию релятивистской лазерной плазмы оставляютряд открытых вопросов. Одним из наиболее существенных с точки зрения разработки новыхисточников корпускулярного и электромагнитного излучения является следующий: неразработаны удовлетворительные теоретические модели, позволяющие самосогласованноописывать такие процессы в релятивистской лазерной плазме, как генерация гаммаизлучения, ядерные и фотоядерные реакции.В диссертации также изучены процессы, протекающие при воздействии на жидкуюводу импульсного лазерного излучения трехмикронного диапазона с интенсивностью нижепорога плазмообразования, приводящие к генерированию в воде электромагнитных4импульсов (сигналов).

Это явление было экспериментально обнаружено в работе [19],авторами которой была предложена гипотеза, объясняющая возникновение в воде разностипотенциалов вследствие пространственного разделения ионов H+ и OH- под действиемлазерного излучения, однако теоретическая модель этого нового эффекта до настоящеговремени отсутствовала.Целью диссертационной работы является построениеадекватных расчетно-теоретических моделей взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом, вкоторыхучитываютсяпроцессыгенерациигамма-квантовтормозногоизлученияускоренными электронами при их рассеянии на атомных ядрах мишени, многократнаяполевая ионизация атомов мишени, ядерные и фотоядерные реакции, для разработки новых иоптимизациисуществующихлазерно-плазменныхисточниковкорпускулярногоиэлектромагнитного излучения.Научные задачи диссертации включают в себя: развитие и численную проверкуаналитическойтеориидвижениярелятивистскойзаряженнойчастицывполефемтосекундного лазерного импульса; последовательное сравнение результатов PICмоделирования с простыми аналитическими моделями, позволяющими не только достаточноточно оценить основные параметры лазерного ускорения заряженных частиц, но и описатьдинамику их изменения на относительно протяженном интервале времени; расчетнотеоретическое исследование и оптимизацию лазерно-плазменного источника нейтронов припомощи оригинального подхода, в котором из первых принципов вычисляется вероятностьакта реакции ядерного синтеза дейтронов на каждом шаге по времени для каждого дейтронав процессе самосогласованного моделирования PIC – методом взаимодействия интенсивноголазерного импульса с мишенью, содержащей ионы дейтерия; моделирование генерациигамма- квантов тормозного излучения при облучении интенсивными лазерными импульсамимишенейиззолотамикроннойтолщины;моделированиереакцийсинтезаифоторасщепления дейтронов при облучении мишеней из дейтерида палладия интенсивнымилазерными импульсами с целью создания нейтронного источника с рекордной плотностьюпотока нейтронов; построение теории эффекта генерирования электрических сигналов в водев закрытой кювете при ее облучении лазерными импульсами инфракрасного диапазона сплотностью энергии ниже порога плазмообразования.Научная новизна диссертационной работы определяется основными результатами,перечисленными ниже:1.

Найдена точная зависимость частоты колебаний релятивистской заряженнойчастицы и скорость ее дрейфа в плоской монохроматической электромагнитной волне отамплитуды поля, поляризации и начальных условий. Показано, что движение частицы в5волне с медленно меняющейся амплитудой приближенно описывается формулами длядвижения частицы в монохроматической волне с заменой в них постоянной амплитуды поляна его амплитуду в точке нахождения частицы, и найден критерий применимости данногоприближения.3.Численноисследованадинамикаформированияимпульсовнейтронов,образующихся в результате взаимодействия разнонаправленных потоков дейтронов приоблучении фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью 1019 – 1021 Вт/см2слоистых мишеней микронной толщины из дейтерированного полиэтилена. Найденыоптимальные параметры слоистой мишени, позволяющие увеличить выход нейтронов болеечем в 20 раз по сравнению со случаем сплошной мишени.Рассчитаны параметры нейтронных импульсов, формирующихся в результатевоздействия фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью порядка 1021 Вт/см2 намикронные мишени из дейтерида палладия.

Получены нейтронные импульсы длительностьюоколо 100 фс с максимальными значениями плотностей потоков нейтронов до 1024 н/(с·см2),что на несколько порядков выше значений, характерных для современных нейтронныхисточников не лазерных типов.4. Проведено моделирование генерации гамма- квантов тормозного излучения приоблучении мишени из золота толщиной 0.5 мкм фемтосекундным лазерным импульсом синтенсивностью 1021 Вт/см2. Показано, что средняя энергия электронов оказывается вдесятки раз больше средней энергии генерируемых ими гамма- квантов. Полученааппроксимационная формула, устанавливающая взаимно-однозначное соответствие междуэтими величинами.5. Рассчитаны величины электрических импульсов, возникающих в воде в закрытойкювете при ее облучении лазерными импульсами инфракрасного диапазона с плотностьюэнергии ниже порога плазмообразования.