Диссертация (1097752)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

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.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации