ИСТИНА

Предлагаемый научный проект объединяет усилия трёх лабораторий (лаборатории релятивистской лазерной плазмы в МГУ и лабораторий термоядерных мишеней и газовых лазеров в ФИАН) и направлен на исследование взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с пиковой интенсивностью свыше 10^18 Вт/см^2 с объёмно- и поверхностно-структурированными мишенями с целью выявления новых эффектов генерации быстрых электронов и ионов в формируемой плазме. Задача будет решаться в двух основных направлениях: 1) Исследование взаимодействия лазерного импульса высокой интенсивности с данными мишенями, включающее ускорение электронов и ионов в плазме, генерацию жесткого рентгеновского и гамма излучения, на основе тераваттной системы в МГУ. Одновременно с этим будет проводиться численное моделирование лазерно-плазменного взаимодействия с помощью 3D3V PIC кода. 2) Создание мишеней в виде «пены» металлов, а также поверхностно-структурированных мишеней из твёрдых веществ с заданными характеристиками в лабораториях ФИАН, изучение свойств подобных мишеней и поиск оптимальных параметров для эффективного ускорения заряженных частиц в плазме. В рамках проекта предполагается решить следующие научные задачи: - исследование взаимодействия лазерного излучения с вспененными и микроструктурированными мишенями и нахождение условий, при которых наблюдается повышение конверсии энергии лазерного импульса к плазме по сравнению с обычными твердотельными мишенями и происходит генерация частиц (электронов и ионов) с высокой энергией. - отработка методики создания мишеней с заданными параметрами большой площади, необходимой для работы с лазерными системами с высокой частотой повторения импульсов (10 Гц и выше);

The proposed research project combines the efforts of the three laboratories (Relativistic Laser Plasma Laboratory at MSU and laboratory of thermonuclear targets, and gas lasers in Physical Institute) and aims to study the interaction of femtosecond laser pulses with peak intensities greater than 10 ^ 18 W / cm ^ 2 with the surface and volume- structured targets in order to identify the effects of the new generation of fast electrons and ions in the plasma is formed. The problem will be solved in two main directions: 1) The study of interaction of laser high-intensity pulse to the data targets, including the acceleration of electrons and ions in the plasma generation hard X-ray and gamma radiation on the basis of terawatt system at MSU. At the same time it will be carried out numerical simulation of laser-plasma interaction via 3D3V PIC code. 2) Create a target in the form of "foam" of metals, as well as surface-structured target of solids with desired characteristics in the laboratories of Physical Institute, the study of these target properties and the search for optimal parameters for effective acceleration of charged particles in the plasma. The project will address the following research objectives: - Investigation of interaction between laser radiation and foamed microstructured targets and finding conditions under which there is an increase of the laser pulse energy by plasma conversion in comparison with conventional solid targets occurs and generation of particles (electrons and ions) with higher energy. - Development of methods of creating the target with the specified parameters of large area required for laser systems with high pulse repetition rate (10 Hz and above);

По окончании проекта планируется: 1) Изучение энергетических и пространственных характеристик заряженных частиц (электронов и ионов), ускоряемых в плазме структурированных мишеней. Определение механизмов их генерации. Нахождение условий, при которых возможно получение пучков заряженных частиц с высокой энергией. Получение экспериментальных данных о стойкости, пороге разрушения и абляции структурированных мишеней. 2) Численное моделирование взаимодействия релятивистски-интенсивного лазерного излучения с пористыми и микроструктурированными мишенями и выявления особенностей генерации быстрых электронов в плазме суб-критической плотности.

У авторов имеется также большой опыт по проведению экспериментов по взаимодействию высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом. В распоряжении авторов имеется аппаратно-диагностический комплекс, включающий в себя рентгеновскую, электронную, ионную и оптическую методики характеризации плазмы. На сегодняшний момент получены экспериментальные результаты по генерации быстрых электронов в плазме при увеличении интенсивности лазерного излучения от умеренной до релятивистской (от 5х10^16 до 5х10^18 Вт/см^2). Продемонстрировано, что по мере роста интенсивности в плазме появляются новые электронные компоненты, соответствующие механизмам резонансного поглощения и пондеромоторного ускорения с характерными энергиями от 50 до 500 кэВ. Наблюдались также генерация тормозного гамма-излучения с энергиями квантов до 5 МэВ и электроны с средней энергией свыше 1 МэВ. Продемонстрировано принципиальное влияние преплазменного слоя на ускорение электронов. Так, при использовании твердотельных мишеней зарегистрирован значительный рост средней энергии быстрых электронов (от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ) при наличии протяженного градиента электронной плотности, создаваемого предымпульсом наносекундной длительности, опережающего основной на время порядка нескольких наносекунд. Результаты численного моделирования с помощью 3D3V PIC кода МАНДОР, имеющегося в распоряжении авторов, указывают на сложную комбинацию эффекты нагрева электронов (самофокусировка излучения в плазме, формирование плазменных волн, параметрические процессы и т.д). Лаборатория термоядерных мишеней располагает уникальным комплексом для изготовления и диагностики вспененных мишеней. Образование вспененных структур производится из густого атомарного потока металла и его постепенного превращения в твердые наночастицы и последующего осаждения в разреженном инертном газе (чистом азоте, аргоне или гелии).

Проведён целый ряд экспериментальных и численных исследований взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения релятивистской интенсивности с различными структурированными мишеням (как поверхностно на разных масштабах относительно длины волны лазерного излучения, так и объёмно структурированными). Проведено сравнение полученных данных с результатами, получаемыми на аналогичных мишенях, но изначально гладких. В ходе исследований измерены рентгеновские, гамма и электронные спектры горячей лазерной плазмы в диапазоне энергий от сотни кэВ до нескольких МэВ. Обнаружено, что при определённых условиях взаимодействия возможно значительно увеличить эффективность нагрева заряженных частиц (электронов) в плазме. В частности показано, что при использовании мишеней, структурированных на масштабе длины волны путём лазерной абляции при различных условиях, средняя горячих электронов может быть увеличена с ~200 кэВ до почти 800 кэВ при пиковой интенсивности лазерного импульса около 2х1018 Вт/см2. В то же время эффект оказывается не столь значительным, когда размеры структур сильно превышают длину волны. Одновременно с этим, эксперименты, проведенные с различным контрастом лазерного импульса, показали важность использования излучения с высоким контрастом. Эффект от наличия структур на поверхности мишени практически полностью пропадает, если интенсивность лазерных предымпульсов достаточно велика для разрушения микрообразований к моменту прихода основного лазерного импульса. Численные расчёты показали, что наблюдаемые эффекты возможно связать с усилением локального поля на поверхности микроструктур и увеличенным поглощением. Более детальные исследования будут проведены на следующем этапе выполнения проекта. Что крайне важно выработан ряд первичных рекомендаций по приготовлению мишеней (размер и период структур, материал и другие), а также отмечен ряд недостатков структур того или иного типа. С учётом этого будут приготовлены новые образцы.