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

На правах рукописиАндреев Степан НиколаевичМОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНОПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ КОРПУСКУЛЯРНОГОИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ01.04.21 - Лазерная физикаДиссертация на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2013СодержаниеВведение Глава1.3Движениезаряженнойчастицылазерном полевинтенсивном12 Глава 2. Моделирование процессов ускорения электронов и ионовпри взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерныхимпульсов с веществом54 Глава 3.

Моделирование источников нейтронов и гамма- квантовпри взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерныхимпульсов с веществом109 Глава 4. Особенности взаимодействия интенсивного лазерногоизлучения трехмикронного диапазона с водой185 Заключение226 Список публикаций автора по теме диссертации229 Цитированная литература2342Введение.Актуальность темы.Созданиевпоследниедесятилетиялазерныхустановокпетаваттного уровня позволило ученым начать исследования новогоуникального физического объекта - релятивистской лазерной плазмы,возникающей при воздействии интенсивного лазерного излучения нагазовые, кластерные и твердотельные мишени [1].Присутствиеврелятивистскойлазернойплазмепотоковвысокоэнергетичных электронов и ионов, а также их взаимодействиедруг с другом и с веществом мишени обеспечивает протеканиеразличныхядерныхэлектромагнитныхиполейфотоядерныхвширокомреакций,диапазонегенерациюдлинволноттерагерцового до гамма- излучения [2].

Фактически, релятивистскаялазерная плазма является тем уникальным объектом, который позволяетв лабораторных условиях моделировать и исследовать различныеэкстремальныенеуправляемогосостоянияивещества,управляемогохарактерныетермоядерногодлясинтезазадач[3],лабораторной астрофизики [4] и др.Релятивистская лазерная плазма, как источник корпускулярного иэлектромагнитного излучения, представляет большой интерес длямножества приложений.Моноэнергетические пучки ускоренных протонов, ускоренных доэнергий около 200 МэВ, востребованы для целей адронной терапии.

Вобзоре [1] описаны эффективные методы создания таких пучков,например, при облучении интенсивными лазерными импульсамидвухслойных мишеней, содержащих тяжелые ионы и локализованные натыльной поверхности мишени протоны. Предложенный в работе [5]метод прямого зажигания термоядерных мишеней пучками легких ионовиз лазерной плазмы является перспективным в ядерном синтезе синерционным удержанием.3Лазерно-плазменные источники гамма-излучения обладают такимихарактеристиками, как высокая спектральная яркость, микронныеразмеры, пикосекундная длительность импульса, узкая диаграмманаправленности, благодаря которым они являются перспективными длярадиографии[6],производствакороткоживущихизотопов[7],дезактивации радиоактивных отходов [7, 8]. Детальное изучение свойствлазерных источников гамма-излучения необходимо также в задачахлабораторной астрофизики [4].Среди короткоимпульсных нейтронных источников, наиболееперспективных для спектрометрии по времени пролета, используемойкак в физике конденсированного состояния, так и в исследованияхструктуры атомного ядра [9], особое положение занимают лазерноплазменныеисточникинейтроновиз-засвоейсверхкороткой(субпикосекундной) длительности и сверхмалого (микронного) размера[10].Для разработки новых и оптимизации существующих лазерноплазменныхисточниковкорпускулярногоиэлектромагнитногоизлучения необходимы адекватные теоретические модели процессов,протекающих при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов сплазмой.Наиболеераспространеннымиинформативнымметодомтеоретического исследования таких процессов является численноемоделирование методом «крупных частиц» (в англоязычной литературеPIC(ParticleInCell)–метод).

Помимочисленныхрасчетовразрабатываются также простые аналитические модели, позволяющие, вчастности, оценить вклад различных физических механизмов в процесслазерного ускорения заряженных частиц и, тем самым, улучшитьпониманиерезультатоврасчетов,атакжелазерно-плазменныхпроцессов в целом (см, например, [11-14]).4Во многих работах (см.

например, [10,15-18]), посвященныхмоделированию лазерно-плазменных источников корпускулярного иэлектромагнитного излучения, используется подход, содержащий дваэтапа. На первом этапе PIC- методом моделируется воздействиеинтенсивного лазерного излучения на мишень, и вычисляются функциираспределения ускоренных электронов и ионов в образовавшейсярелятивистской лазерной плазме. Затем, эти функции распределенияиспользуются в качестве начальных условий в постпроцессоре,основанном на методе Монте-Карло, моделирующем протеканиеядерных реакций и других процессов в веществе мишени прираспространении в нем потоков заряженных частиц. Данный подход непозволяет самосогласованно учесть влияние электромагнитных полей надвижение заряженных частиц в веществе, а также влияние нагревавещества, обусловленного этим движением, на протекание указанныхпроцессов.

Другим недостатком этого подхода является принципиальнаяневозможность моделирования ядерных реакций при взаимодействиидругсдругомразнонаправленныхпучковзаряженныхчастиц,формирующихся, например, при облучении мишеней, содержащихмикрополости.Такимтеоретическиеобразом,ипроведенныеэкспериментальныекнастоящемуработыповремениисследованиюрелятивистской лазерной плазмы оставляют ряд открытых вопросов.Одним из наиболее существенных с точки зрения разработки новыхисточников корпускулярного и электромагнитного излучения являетсяследующий: не разработаны удовлетворительные теоретические модели,позволяющиесамосогласованноописыватьтакиепроцессыврелятивистской лазерной плазме, как генерация гамма- излучения,ядерные и фотоядерные реакции.В диссертации также изучены процессы, протекающие привоздействии на жидкую воду импульсного лазерного излучения5трехмикронногодиапазонаплазмообразования,электромагнитныхсинтенсивностьюприводящиеимпульсовкнижегенерированию(сигналов).Этопорогавводеявлениебылоэкспериментально обнаружено в работе [19], авторами которой былапредложена гипотеза, объясняющая возникновение в воде разностипотенциалов вследствие пространственного разделения ионов H+ и OHпод действием лазерного излучения, однако теоретическая модель этогонового эффекта до настоящего времени отсутствовала.Цельюадекватныхдиссертационнойработырасчетно-теоретическихявляетсямоделейпостроениевзаимодействияинтенсивного лазерного излучения с веществом, в которых учитываютсяпроцессы генерации гамма-квантов тормозного излучения ускореннымиэлектронами при их рассеянии на атомных ядрах мишени, многократнаяполевая ионизация атомов мишени, ядерные и фотоядерные реакции,дляразработкиплазменныхновыхиисточниковоптимизациикорпускулярногосуществующихилазерно-электромагнитногоизлучения.Научные задачи диссертации включают в себя: развитие ичисленную проверку аналитической теории движения релятивистскойзаряженной частицы в поле фемтосекундного лазерного импульса;последовательноепростымисравнениеаналитическимирезультатовмоделями,PIC-моделированияпозволяющиминестолькодостаточно точно оценить основные параметры лазерного ускорениязаряженных частиц, но и описать динамику их изменения наотносительно протяженном интервале времени; расчетно-теоретическоеисследование и оптимизацию лазерно-плазменного источника нейтроновпри помощи оригинального подхода, в котором из первых принциповвычисляется вероятность акта реакции ядерного синтеза дейтронов накаждомшагеповременидлякаждогодейтронавпроцессе6самосогласованного моделирования PIC – методом взаимодействияинтенсивного лазерного импульса с мишенью, содержащей ионыдейтерия;моделированиегенерациигамма-квантовтормозногоизлучения при облучении интенсивными лазерными импульсамимишеней из золота микронной толщины; моделирование реакцийсинтеза и фоторасщепления дейтронов при облучении мишеней издейтерида палладия интенсивными лазерными импульсами с цельюсоздания нейтронного источника с рекордной плотностью потоканейтронов; построение теории эффекта генерирования электрическихсигналов в воде в закрытой кювете при ее облучении лазернымиимпульсами инфракрасного диапазона с плотностью энергии нижепорога плазмообразования.Научнаяновизнадиссертационнойработыопределяетсяосновными результатами, перечисленными ниже:1.

Найдена точная зависимость частоты колебаний релятивистскойзаряженнойчастицыискоростьеедрейфавплоскоймонохроматической электромагнитной волне от амплитуды поля,поляризации и начальных условий. Показано, что движение частицы вволне с медленно меняющейся амплитудой приближенно описываетсяформулами для движения частицы в монохроматической волне сзаменой в них постоянной амплитуды поля на его амплитуду в точкенахождения частицы, и найден критерий применимости данногоприближения.3.

Численно исследована динамика формирования импульсовнейтронов,образующихсяразнонаправленныхпотоковврезультатедейтроноввзаимодействияприоблучениифемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью 1019 – 1021Вт/см2 слоистых мишеней микронной толщины из дейтерированногополиэтилена. Найдены оптимальные параметры слоистой мишени,7позволяющие увеличить выход нейтронов более чем в 20 раз посравнению со случаем сплошной мишени.Рассчитаны параметры нейтронных импульсов, формирующихся врезультатевоздействияфемтосекундныхлазерныхимпульсовсинтенсивностью порядка 1021 Вт/см2 на микронные мишени издейтерида палладия. Получены нейтронные импульсы длительностьюоколо 100 фс с максимальными значениями плотностей потоковнейтронов до 1024 н/(с·см2), что на несколько порядков выше значений,характерных для современных нейтронных источников не лазерныхтипов.4.Проведеномоделированиегенерациигамма-квантовтормозного излучения при облучении мишени из золота толщиной 0.5мкм фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью 1021Вт/см2.

Показано, что средняя энергия электронов оказывается в десяткираз больше средней энергии генерируемых ими гамма- квантов.Получена аппроксимационная формула, устанавливающая взаимнооднозначное соответствие между этими величинами.5. Рассчитаны величины электрических импульсов, возникающихв воде в закрытой кювете при ее облучении лазерными импульсамиинфракрасногодиапазонасплотностьюэнергиинижепорогаплазмообразования. Показано, что амплитуда электрического импульса,обусловленноготермодиффузионнымразделениемпродуктовдиссоциации молекул воды при ее лазерном нагреве, в отсутствиевзрывного вскипания воды не превышает десяти милливольт.

В случаевозникновения взрывного вскипания воды и формирования в нейпаровой полости, напряженность электрического поля в которой вдесятки раз больше, чем в окружающей жидкости, амплитудаэлектрического импульса достигает сотен милливольт.8Достоверностьподтверждаетсячисленныхрезультатовкорректностьюметодов,диссертационнойиспользованныхсовпадениемрезультатовработыаналитическихимоделированиясэкспериментальными данными. Основные результаты диссертационнойработы опубликованы в реферируемых научных журналах и изданиях,неоднократно обсуждались на различных конференциях, научныхсеминарах и получили признание ведущих специалистов.Положения, выносимые на защиту:1.