Управление свойствами плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических ядерных процессов

На правах рукописиСАВЕЛЬЕВ – ТРОФИМОВ Андрей БорисовичУПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСАИ ИНИЦИИРОВАНИЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОВСпециальность: 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква, 2003РаботавыполненанафизическомфакультетеМосковскогогосударственного университета им.

М.В. Ломоносова, Москва, Россия.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,член-корреспондент РАН Панченко Владислав Яковлевичдоктор физико-математических наукРивлин Лев Абрамовичдоктор физико-математических наукЧекалин Сергей ВасильевичВедущая организация:Институт прикладной физики РАНЗащита состоится «19» февраля 2004 г.

в 15 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу:119992,ГСП-2,Москва,ул. Акад. Хохлова,д.1,КНО,аудиторияим. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им. М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «23» 12 2003 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат.

наук, доцентТ.М. Ильинова1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВыдвинутая в начале 60-х годов 20-го века идея управляемого лазерного термоядерного синтеза определила ключевую роль сверхмощных лазерных систем в исследованиях по физике высокотемпературной плазмы и проблеме поведения вещества в экстремальном состоянии.Последнее десятилетие 20-го века ознаменовалось бурным прогрессом в разработке и создании нового поколения твердотельных лазеров и лазерных систем, генерирующих импульсы фемтосекундной длительности (1 фс=10-15 с). Фемтосекундные лазерныесистемы, обладая малой длительностью светового импульса (10–1000 фс), обеспечиваютпиковую мощность вплоть до ПВт (1 ПВт=1015 Вт) и при фокусировке лазерного излучения дают возможность получить огромную интенсивность в диапазоне 1016–1021 Вт/см2.Создание фемтосекундных лазерных систем «настольного типа», генерирующих импульсы с энергией в единицы-сотни миллиджоулей в различных областях спектра, дало возможность продвинуться в решении ряда задач, связанных с высокотемпературной лазерной плазмой, и открыло новые перспективы для нелинейной квантовой электродинамики,ядерной физики и лазерного термоядерного синтеза, в создании принципиально новогопоколения источников излучения сверхкороткой длительности в ВУФ, рентгеновском игамма-диапазонах спектра.

Действительно, такое сверхинтенсивное излучение позволяетполучать сверхсильное световое поле, недоступное для получения другими способами влабораторных условиях (при интенсивности I≥1016 Вт/см2 напряженность светового поляпревышает напряженность внутриатомного в атоме водорода Еa>109 В/см).

В режимесверхсильного светового поля оказывается возможным изучать фундаментальные свойства вещества в сильно неравновесных, экстремальных состояниях, а также проводить ядерно-физические эксперименты с использованием корпускулярного и электромагнитногоизлучений из лазерной плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом(плазма ФЛИ).Для плазмы ФЛИ существенным оказывается определение диапазона значений основных параметров лазерного излучения для получения плазмы с оптимизированнымихарактеристиками: электронной температурой (в том числе с точки зрения генерации горячих электронов) и кратностью ионизации, максимальным потоком рентгеновского излучения в определенном спектральном интервале и др.

Наиболее часто используется подход, связанный с оптимизацией параметров лазерного импульса и, в первую очередь, интенсивности излучения на мишени. Свойства мишени учитываются, в основном, с точкизрения ее атомного состава.Управление свойствами плазмы ФЛИ возможно при модификации структуры поверхности мишени: использовании решеток, лазерной модификации поверхности, либоформировании на поверхности наноструктурированного слоя.

Это приводит к более эффективному разогреву плазмы, повышению температуры ионов и горячих электронов и,как следствие, к эффективной генерации жесткого рентгеновского излучения и ускорениюионов, что, в частности, может быть использовано при инициировании низкоэнергетических ядерных процессов с помощью ФЛИ.Переход к импульсному лазерному излучению фемтосекундной длительности исубпетаваттной пиковой мощности является достаточным условием для ускорения электронов плазмы до энергий, необходимых для прямого инициирования целого спектраядерных процессов: возбуждение ядерных уровней, термоядерные реакции, реакция деле-2ния и наработка нестабильных изотопов, генерация ультракоротких импульсов элементарных частиц и др.Ядерные процессы в плазме ФЛИ возникают также при субрелятивистских или«умеренных» интенсивностях I M < 1017 Вт/см 2 , намного меньших так называемого релятивистского предела QR = I R λ2 ≈ 5,48 ⋅1018 Вт/см 2 мкм 2 ( λ – длина волны лазерного излучения), когда классическая осцилляторная энергия электрона во внешнем электромагнитном поле становится порядка его энергии покоя me c 2 ≈ 511 кэВ.

Это связано с формированием при интенсивности в 100–1000 ПВт/см2 плазмы с плотностью сильно ионизованных ионов близкой к плотности твердого тела и температурой электронов до 1000 эВ. Одновременно в такой плазме формируется и «горячий» электронный компонент со среднейэнергией электронов, пропорциональной интенсивности лазерного излучения и достигающей десятков кэВ при I ~ 100 ПВт/см2. Плазма ФЛИ, получаемая при аналогичной интенсивности, обеспечивает значительно большие температуру и плотность электронов иионов, чем плазма, создаваемая лазерными импульсами большей длительности. Кроме того, такой режим облучения, с нашей точки зрения, представляет существенный интересдля приложений в силу относительной доступности и эксплуатационной надежности лазерных установок такого класса.Именно наличие, уже при умеренных интенсивностях, в плазме ФЛИ горячего электронного компонента позволило поставить вопрос о возможности инициирования в такойплазме ядерных процессов, имеющих низкий порог реакции или возбуждения, либо такназываемых безпороговых ядерных процессов.

Такие процессы в дальнейшем для краткости мы будем называть низкоэнергетическими ядерными процессами, и именно их рассмотрение является одной из ключевых задач настоящей диссертации. К числу таких процессов относится, в первую очередь, возбуждение ядерных уровней изотопов и изомеров сэнергией менее 20 кэВ, а также различные термоядерные реакции. Следует отметить, чторежим умеренных интенсивностей может оказаться оптимальным не только для экспериментальной регистрации низкоэнергетических ядерных процессов, но и для их последующего применения: переход в режим релятивистского взаимодействия, с одной стороны,резко увеличивает поток ядерного излучения различной природы из плазмы ФЛИ, существенно затрудняя тем самым экспериментальную регистрацию, а с другой, приводит крассогласованию энергетического спектра «излучения накачки» (электроны, ионы, фотоны) с оптимальным для инициирования такого типа процессов спектром.Таким образом, актуальность работы определяется рядом обстоятельств.

Вопервых, исследование процессов, протекающих при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с плазмой, с необходимостью предполагает развитие новых и адаптацию существующих методов и алгоритмов анализа плазмы (в том числе ее горячего электронного компонента), а также ее модельного описания. Во-вторых, существенное влияние на формирование плазмы ФЛИ оказывает структура и морфология поверхностногослоя мишени, что, в частности, может быть использовано для управления параметрамиплазмы ФЛИ. В-третьих, совокупность уникальных параметров, характерная для плазмыФЛИ, предполагает возможность инициирования в такой плазме целого спектра низкоэнергетических ядерных процессов. Для их исследования необходимо развитие как экспериментальных методик регистрации ядерных процессов в плазме, так и теоретических моделей, их описывающих.Цели диссертационной работыКлючевые цели работы могут быть сформулированы следующим образом:1.

Создание аппаратно-программного комплекса для диагностики высокотемператур-3ной плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса, в том числе методовхарактеризации горячего электронного компонента по различным его проявлениямот измерения спектра электронов до исследования генерации рентгеновского излучения и ионного спектра плазмы. Создание численной модели плазмы ФЛИ для исследования пространственно временной динамики плазмы, интерпретации и обработки результатов экспериментов;2.

Разработка методов управления свойствами плазмы ФЛИ за счет модификациисвойств поверхностного слоя твердотельных мишеней: температурой тепловых игорячих электронов, зарядовым составом плазмы, светимостью в рентгеновскомдиапазоне спектра и другими;3. Обнаружение возбуждения низкоэнергетических ядерных уровней в плазме ФЛИпри субрелятивистских интенсивностях и теоретическое исследование особенностей этого процесса в плазме ФЛИ.1.2.3.4.5.6.7.8.Научная новизнаПредложен и реализован метод оценки в каждой экспериментальной реализациисредней энергии горячих электронов плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом интенсивностью порядка 10 ПВт/см2. Метод основан на одновременном измерении энергии жесткого рентгеновского излучения в двух спектральных диапазонах.Обнаружено формирование отрицательных высокоэнергетических ионов с энергией до 35 кэВ при расширении плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом интенсивностью порядка 10 ПВт/см2.Проведено измерение энергетического спектра электронов плазмы при интенсивности фемтосекундного лазерного импульса порядка 1016 Вт/см2 и подтвержденоналичие двух электронных компонентов в такой плазме.Показано, что при облучении сверхтонких свободновисящих углеродных пленокфемтосекундным лазерным импульсом интенсивностью порядка 5 ПВт/см2, происходит перегрев плазмы, смещение ионизационного равновесия и повышение эффективности генерации рентгеновского излучения в области «водяного окна» 2–4 нм.Обнаружено, что использование высокопористого кремния (пористость свыше 5) вкачестве мишени при воздействии фемтосекундного лазерного импульса интенсивностью свыше 10 ПВт/см2 позволяет существенно повысить среднюю энергию горячего электронного компонента и темп роста средней энергии с интенсивностьюФЛИ при неизменной полной энергии горячего электронного компонента, а так жеувеличивает эффективность генерации жесткого рентгеновского излучения с энергией квантов свыше 5 кэВ.Зарегистрирован гамма-распад низкоэнергетического изомерного уровня стабильного изотопа 181Ta (энергия возбуждения 6,238 кэВ, время жизни 6 мкс) при еговозбуждении в плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом интенсивностью 20 ПВт/см2.В численном эксперименте обоснована определяющая роль горячего электронногокомпонента при возбуждении низкоэнергетических ядерных переходов в плазме,создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью свыше10 ПВт/см2.Определены условия, при которых возможен запрет распада низкоэнергетическогоядерного состояния 201Hg с энергией 1,561 кэВ через процесс внутренней электронной конверсии при его возбуждении в плазме, создаваемой фемтосекундным ла-4зерным импульсом интенсивностью порядка 10 ПВт/см2.Практическая ценность работы определяется возможностью применения созданногоаппаратно-программного комплекса в целом и развитых экспериментальных методов исследования по отдельности, для исследования лазерной плазмы и при создании перспективных лазерных фемтотехнологий.