|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Взаимодействие фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с плазмой, создаваемой на поверхности расплавленного металла, динамически микроструктурированной предымпульсомНИР
- Руководитель НИР: Урюпина Д.С.
- Участники НИР: Брантов А.В., Иванов К.А., Ларькин А.С., Пасхалов А.А., Пикуз С.А., Шевелько А.П., Шуляпов С.А., Якушев О.Ф.
- Подразделение: Международный учебно-научный лазерный центр
- Срок исполнения: 17 мая 2012 г. - 25 декабря 2014 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 12-02-01161-а
- Номер ЦИТИС: 01201260751
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Получение сверхсильных световых полей и их применение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.33.47 Воздействие лазерного излучения на вещество
- 29.27.15 Излучение плазмы
-
Ключевые слова:
фемтосекундная лазерная плазма, микроструктурированные мишени
-
Описание:
Проект посвящен исследованию физических процессов протекающих при воздействии фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности (5*10^18 Вт/см^2) на поверхность мишени в виде расплавленного металла, микроструктурированной предымпульсом, опережающим основной импульс на несколько наносекунд. Известно, плазма, формируемая фемтосекундным лазерным импульсом релятивистской интенсивности, является уникальным источником высокоэнергетичных электронов, ионов и жесткого рентгеновского излучения, сочетающим в себе пикосекундную длительность и высокую спектральную яркость импульсов. В настоящее время с целью увеличения выхода рентгеновского излучения, энергий ионов и электронов широко используется подход, связанный с использованием мишеней с микроструктурированной поверхностью. В данном проекте предлагается оригинальная методика, основанная на использовании мишени в виде расплава металла поверхность которой динамически модифицирована с помощью предымпульса, опережающего основной импульс на несколько наносекунд. Данный подход был апробирован нами при умеренных интенсивностях лазерного импульса (~5*10^16 Вт/см^2). В частности, было продемонстрировано, что подобно плазме, формируемой на традиционно используемых твердотельных мишенях, плазма на поверхности расплава характеризуется высокой энергией электронов и плотностью близкой к твердотельной. Преимуществом такой мишени перед твердотельными является отсутствие необходимости сдвигать мишень после каждого выстрела для обеспечения свежей поверхности. При использовании двухимпульсной методики воздействия лазерного излучения на мишень было обнаружено, что воздействие первого импульса, опережающего основной, на несколько наносекунд приводит к микромодификации поверхности в виде струй с плотностью выше критической. Взаимодействие основного лазерного импульса с такой плазмой, обладающей пространственным градиентом плотности и микронеоднородностями с плотностью выше критической, приводит к повышению средней энергии горячих электронов в несколько раз и увеличению эффективности генерации жесткого рентгеновского излучения более чем на порядок.
-
Основные результаты:
В ходе выполнения проекта исследованы физические процессы, обуславливающие генерацию мощных выбросов жесткого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью около 5*10^18 Вт/см^2 на поверхности мишени из расплава металла, динамически структурированной дополнительным лазерным импульсом. Предложены способы управления уровнем сигнала рентгеновского излучения с помощью изменения времени задержки между лазерным импульсом, создающим поверхностные структуры, и лазерным импульсом, создающим плазму, а также с помощью создания оптимальной топологии структур на поверхности мишени. На основе проведенных экспериментов и численного моделирования с помощью PIC кода удалось показать, что генерация жесткого рентгеновского излучения и гамма-квантов из плазмы наиболее эффективно происходит в случае взаимодействия лазерного импульса со струей, направленной навстречу лазерному излучению. Обнаружено, что при энергии лазерного предымпульса 180 мкДж и времени задержки между импульсами 11нс максимальная энергия гамма излучения достигает 4.7 МэВ. На основе экспериментов по теневой диагностике плазменного облака, формирующегося над поверхностью галлиевой мишени после воздействия лазерного импульса, и экспериментов по регистрации распределения энергии лазерного излучения в плоскости мишени показано, что происхождение струй связано с неоднородностью плотности энергии излучения на поверхности мишени.
- Добавил в систему: Урюпина Дарья Сергеевна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 17 мая 2012 г.-31 декабря 2012 г. | Взаимодействие фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с плазмой, создаваемой на поверхности расплавленного металла, динамически микроструктурированной предымпульсом |
| Результаты этапа: Проведены реперные эксперименты по регистрации спектра жесткого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью ~5*10^18 Вт/см^2 на поверхности мишеней из железа в твердотельном состоянии и расплава галлия. Проведены эксперименты по теневой диагностике пространственно-временной динамики плазменного облака над поверхностью твердотельной мишени (железо, свинец, кварц) и мишени в виде расплава галлия. Впервые для твердотельных мишеней (для железа и свинца) обнаружен эффект формирования микроструй над поверхностью через время около 5-10 нс после воздействия лазерного импульса. Данный эффект может быть использован в дальнейшем для динамического микроструктурирования мишени перед воздействием лазерным импульсом с релятивистской интенсивностью. Подготовлена экспериментальная схема, разработана методика измерений и обработки, проведены эксперименты по оценке пространственного размера плазменного облака в рентгеновском диапазоне спектра с помощью камеры-обскура. Проведены численные расчеты с помощью трехмерного PIC кода, направленные на выяснение физических механизмов ускорения горячих электронов при воздействии релятивистки интенсивного лазерного импульса на поверхность мишени со «струями». Выявлена ключевая роль «струй» в появлении высокоэнергетичного «хвоста» электронов. Проведена модернизация лазерной системы с целью увеличения энергии, интенсивности и контраста лазерного импульса. Проведена подготовка к последующим экспериментам: создана оптическая схема для проведения экспериментов по генерации рентгеновского излучения при воздействии лазерного импульса с предымпульсом; подготовлены необходимые элементы для создания схемы диагностики плазменного облака с разрешением около 1 мкм; подготовлены необходимые элементы для проведения экспериментов по измерению спектра рентгеновского излучения в мягком диапазоне спектра. | ||
| 2 | 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. | Взаимодействие фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с плазмой, создаваемой на поверхности расплавленного металла, динамически микроструктурированной предымпульсом |
| Результаты этапа: Показано, что структура плазменного облака, содержащая неоднородности в виде струй с поперечным размером микронного масштаба, может быть связана с неоднородным распределением энергии лазерного излучения в области воздействия на мишень. Впервые получены зависимости выхода жесткого рентгеновского излучения в спектральный диапазон от 100 кэВ до нескольких МэВ из плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью около 5*10^18 Вт/см^2 на поверхности мишени из расплава металла (галлия), структурированной лазерным предымпульсом, от энергии предымпульса и времени его опережения. Обнаружено, что при энергии предымпульса около 180 мкДж и времени задержки между импульсами 11 нс максимальная энергия гамма излучения достигает 4.7 МэВ. | ||
| 3 | 1 января 2014 г.-25 декабря 2014 г. | Взаимодействие фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с плазмой, создаваемой на поверхности расплавленного металла, динамически микроструктурированной предымпульсом |
| Результаты этапа: Впервые получены зависимости выхода жесткого рентгеновского излучения в спектральный диапазон от 100 кэВ до нескольких МэВ из плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью около 5*10^18 Вт/см^2 на поверхности мишени из расплава металла (галлия), структурированной лазерным предымпульсом, от энергии предымпульса и времени его опережения. Обнаружено, что при энергии предымпульса около 180 мкДж и времени задержки между импульсами 11 нс максимальная энергия гамма излучения достигает 4.7 МэВ. Впервые показано, что через время 5-10 нс после воздействия фемтосекундного лазерного импульса с энергией порядка 100-200 мкДж на поверхность мишени из расплава галлия и твердотельных мишеней из железа и свинца плазменное облако имеет неоднородную структуру – образуются струи толщиной около нескольких микрон и длиной порядка десятков микрон. Изменяя условия фокусировки и моду лазерного импульса возможно управлять размером, количеством и направлением струй. Данный эффект может быть использован для динамического микроструктурирования поверхности мишеней. С помощью численного моделирования трехмерным PIC кодом было показано, что в плазме, создаваемой на поверхности плотных мишеней фемтоскундным лазерным импульсом с релятивистской интенсивностью, можно добиться эффективного увеличения энергии горячих электронов за счет наличия на поверхности мишени микроструй. Эффект чувствителен к размеру и направлению струи относительно вектора падения лазерного пучка. Показано, что структура плазменного облака после воздействия фемтосекундного лазерного импульса с энергией порядка 100-200 мкДж, содержащая неоднородности в виде струй с поперечным размером микронного масштаба, связана с неравномерным распределением энергии лазерного излучения в области воздействия на мишень и с влиянием ударных волн от различных областей на поверхности мишени. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".