Автореферат (Моделирование и оптимизация лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения), страница 8

Первая стадия – нагрев излучением HF лазера тонкого (~ 1мкм) водного слоя у поверхности кварцевого окна (дна) кюветы.Спустя примерно 250 нс после начала лазерного импульса (на заднем фронтеимпульса) происходит взрывное вскипание воды, сопровождающееся формированиемпаровой полости и резким увеличением давления до величины давления насыщенного парапри температуре Tth , которое затем быстро уменьшается. Под действием разности давлениявнутри полости и внешнего давления паровая полость начинает быстро расширяться, толкаявверх водный столб.

Расширение паровой полости составляет вторую стадию процесса,сопровождающего воздействие излучения HF лазера на воду.Если длительность первой стадии начального нагрева воды не превышает полнойдлительности лазерного импульса (около 300 нс), то вторая стадия продолжается до тех пор,покадавлениепаравполостипревышаетвнешнееатмосферноедавление(10 – 30 мкс).Динамика водного столба и паровой полости на временах много больших 10 мкссоставляет третью стадию движения водного слоя.Момент захлопывания полости, поверхности которой, как указывалось выше,заряжены, должен отражаться на электрическом сигнале, что, вероятно, и наблюдается вэксперименте в форме второго пика электрического сигнала.Проведенное в подразделе 4.3.2 сравнение экспериментальной зависимости временногоинтервала  между пиками электрического сигнала и рассчитанного по разработанноймодели полного времени движения водного столба tmax от плотности энергии лазерногоимпульса W показало их хорошее соответствие.В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.В диссертации решена актуальная научная проблема – расчетно-теоретическоеисследованиеиоптимизациялазерно-плазменныхисточниковкорпускулярногоиэлектромагнитного излучений, имеющая большую научную, практическую значимость инароднохозяйственное значение.Выводы диссертационной работы:1.

Проведен подробный анализ задачи о движении релятивистской заряженнойчастицы в поле плоской монохроматической электромагнитной волны. Показано, чтодвижение частицы представляет собой наложение дрейфа с постоянной скоростью иколебательного движения с частотой, отличающейся от частоты поля. Найдена точнаязависимость частоты колебаний частицы и скорость ее дрейфа от амплитуды поля,33поляризации и начальных условий. Вычислены средние (по периоду колебаний частицы)значения скорости, импульса и энергии частицы.2.

В адиабатическом приближении получено аналитическое решение уравненийдвижения релятивистской заряженной частицы в плоской квазимонохроматической волне.Найдены выражения для усредненных попериоду колебаний частицы ее координат,скорости, импульса, энергии, а также средней силы, действующей на частицу. Численнорешеназадачаорелятивистскомдвижениизаряженнойчастицывплоскойквазимонохроматической электромагнитной волне. Проведено сравнение результатовчисленного расчета с соответствующими результатами, полученными аналитически.

Изанализапроведенногосравнениянайденкритерийприменимостиадиабатическогоприближения в зависимости от интенсивности и длительности электромагнитного импульса.3. Для задачи о взаимодействиифемтосекундного лазерного импульса синтенсивностью I 0  2 1018 Вт/см2 и длительностью (FWHM) 235 фс с алюминиевоймишенью микронной толщины, на фронтальной поверхности которой присутствует слойводородной предплазмы, проведено подробное сравнение результатов расчета PIC- методомс аналитическими моделями и экспериментальными данными [31]. Показано, в частности,что в первые 500 фс лазерного воздействия световое давление может быть наиболееэффективным механизмом ускорения протонов предплазмы вглубь мишени.4. Рассчитан выход нейтронов при воздействии фемтосекундных лазерных импульсовна мишени из дейтерированного полиэтилена в диапазоне энергий лазерного излучения 0.2 20 Дж. Использование подхода, в котором из первых принципов вычисляется вероятностьакта DD- реакции на каждом шаге по времени для каждого дейтрона в процессесамосогласованного PIC –моделирования, позволило получить результаты, находящиеся влучшемсогласиисимеющимисяэкспериментальнымиданными,чемрезультатысоответствующих расчетов, выполненных ранее другими авторами [35].

Показано, что приоблучениифемтосекунднымилазернымиимпульсамислоистыхмишенейиздейтерированного полиэтилена выход нейтронов увеличивается более чем в 20 раз посравнению со случаем сплошных мишеней за счет формирования в объеме слоистой мишенидополнительных разнонаправленных потоков ускоренных дейтронов, отсутствующих вслучае сплошной мишени.5. 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 между34этими величинами. Исследованы угловые распределения электронов и гамма-квантов.Показано, что угловое распределение только высокоэнергетичных гамма-квантов повторяетугловое распределение электронов, покидающих мишень.6. Проведено рассчетно- теоретическое исследование лазерно-плазменных источниковкорпускулярногоиэлектромагнитногоизлучения,возникающихпривоздействиифемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью порядка 1021 Вт/см2 на мишени издейтерида палладия микронной толщины.

Учитывались процессы генерации гамма- квантовтормозного излучения при кулоновском рассеянии ускоренных электронов на ядрахпалладия, реакции фоторасщепления дейтронов гамма- квантами, ядерные реакции синтезадейтронов. Исследованы энергетические спектры, длительность, интенсивность потоковнейтронов, возникающих в ходе реакций фоторасщепления и синтеза дейтронов взависимости от толщины мишени и интенсивности лазерного импульса.

Полученымаксимальные значения плотностей потоков нейтронов до 1024 н/(с·см2), что на несколькопорядков превышает значения, характерные для нейтронных источников не лазерных типов.7. Разработана математическая модель и проведено численное моделирование эффектагенерирования электрических импульсов в воде в закрытой кювете при ее облучениилазерным излучением инфракрасного диапазона с плотностью энергии ниже порогаплазмообразования.

Показано, что амплитуда электрического импульса, обусловленноготермодиффузионным разделением продуктов диссоциации молекул воды при ее лазерномнагреве, в отсутствие взрывного вскипания воды не превышает десяти милливольт. В случаевозникновения взрывного вскипания и формирования паровой полости, напряженностьэлектрического поля в которой в десятки раз больше, чем в окружающей жидкости,амплитуда электрического импульса достигает сотен милливольт.Список публикаций[A1] С.Н. Андреев, В.П. Макаров, А.А. Рухадзе, "О движении заряженной частицы вплоской монохроматической электромагнитной волне", Квантовая электроника. 2009.

Т. 39.с. 68[A2] С.Н. Андреев, Ю.И. Еремеичева, В.П. Макаров, А.А. Рухадзе, "О движении заряженнойчастицы в плоской квазимонохроматической электромагнитной волне", Препринт ИОФ РАН№ 3, 2013 г.[A3] С.Н. Андреев, В.П. Макаров, А.А. Рухадзе, "Движение электрона в квазиплоской иквазимонохроматической 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 laserfields", Problems of atomic science and technology. 2010. V. 68 . Issue 4. p. 240[A5] С.Н. Андреев, В.П. Макаров, А.А. Рухадзе, «Средние силы, действующие на веществов 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[A6] C.Н.

Андреев, Ю.И. Еремеичева, В.П. Тараканов, «О движении заряженной частицы вплоской квазимонохроматической электромагнитной волне», Сборник докладов V35Всероссийской школы студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазернойфизике и лазерным технологиям, г. Саров, 2011 г., с. 115[A7] C.Н. Андреев, А.А. Самохин, "Релаксация в ансамбле ограниченных кулоновских пар",Краткие сообщения по физике ФИАН. 2001. № 6. с. 24[A8] С.Н. Андреев, А.А. Рухадзе, А.А.