Введение к работе
Актуальность темы. Стремительный прогресс последних десятилетий в технологиях получения коротких лазерных импульсов с экстремально высокой интенсивностью стимулировал множество теоретических и экспериментальных исследований в области применения таких импульсов для решения актуальных задач, среди которых можно выделить создание альтернативных компактных источников ускоренных заряженных частиц, а также вторичных источников излучения с уникальными характеристиками. При доступных сегодня значениях интенсивности (до 2х1022 Вт/см2 [1]) лазерные импульсы вызывают не только ионизацию вещества мишени, но и приводят к ультрарелятивистскому движению электронов, что открывает широкие возможности для трансформации энергии лазерного излучения при взаимодействии с образующимися плазменными структурами. В связи с этим сегодня бурно развивается направление теоретического и экспериментального исследования процессов взаимодействия интенсивных фемто-секундных лазерных импульсов со структурированными мишенями в контексте решения прикладных задач [3 *].
Одним из наиболее активно обсуждаемых сегодня приложений сверхмощных лазерных систем является лазерное ускорение электронов. В первую очередь, это связано со значительным прогрессом в экспериментальной реализации предложенных теоретических концепций ускорения полями плазменной волны, возбуждаемой лазерным импульсом в газовой мишени [2]. На сегодняшний день уже удалось добиться впечатляющих результатов: энергия электронов в пучках достигает полутора ГэВ при общем заряде пучка на уровне нескольких десятков пКл [3, 4]. Сегодня обсуждаются как самостоятельное применение таких источников для различных приложений, так и использование их в качестве первичного каскада для линейных ускорителей, что обусловлено рядом преимуществ лазерного ускорения, среди которых наиболее значимым является компактность и относительная дешевизна установки. Последние годы исследования в этой области в первую очередь направлены на решение проблемы контролируемой инжекции или самоинжекции электронов в ускоряющую фазу, а также на поиск путей улучшение характеристик электронного пучка и увеличение стабильности процесса ускорения.
Другим широко обсуждаемым сегодня приложением интенсивных лазерных импульсов является генерация пучков ускоренных протонов и лёг-лих ионов. В рамках концепции ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов (Target Normal Sheath Acceleration - TNSA) [5] при использовании лазерного импульса с пиковой интенсивностью 2х1020Вт/см2 удалось получить протоны, ускоренные до энергии около 55 МэВ [6]. При интенсивностях свыше 1023 Вт/см2 теоретически предсказывается возмож-
ность возникновения режима доминирования светового давления, при котором благодаря релятивистским эффектам происходит подавление плазменных неустойчивостей и становится возможным высокоэффективное ускорение ионов до энергий порядка десятков ГэВ [7]. Тем не менее, при доступных сегодня интенсивностях ни одна из вышеупомянутых концепций не представляется достаточно эффективной для генерации пучков протонов с энергией до нескольких сотен МэВ и малым разбросом по энергиям. Благодаря компактности и дешевизне лазерных систем по сравнению с традиционными ускорителями, создание альтернативных источников таких пучков протонов может иметь революционное значение с точки зрения их применения в медицине для адронной терапии онкологических заболеваний и производства короткоживущих изотопов для диагностических задач. Поэтому сегодня как теоретически, так и экспериментально активно исследуются новые механизмы лазерного ускорения протонов и лёглих ионов при доступных интенсивностях.
Кроме применения сверхмощных лазерных систем для прикладных задач сегодня обсуждаются возможности их использования для новых фундаментальных исследований. Особенно следует выделить задачу генерации аттосекундных импульсов [8, 9]. Такие импульсы в первую очередь представляют большой интерес для задачи исследования внутримолекулярных и внутриатомных процессов на предельно малых пространственных и временных масштабах с помощью метода накачка-зондирование (pump-probe). В качестве другого направления, вызывающего в последнее время бурный интерес, можно выделить концепцию получения предельно высоких на-пряженностей электромагнитного поля (для исследований нелинейных свойств вакуума) путем фокусировки до дифракционного передела вторичного аттосекундного излучения, полученного при взаимодействии лазерного импульса с какой-либо мишенью. И в том и в другом случае ключевыми задачами являются как получение наименьшей длительности импульса, так и достижение наивысшей эффективности трансформации энергии из фем-тосекундного в аттосекундный диапазон длительностей.
Настоящая работа посвящена изучению механизмов преобразования энергии лазерного излучения и поиску структур мишеней, обеспечивающих определенные сценарии взаимодействия, которые приводят к эффективному использованию этой энергии для ускорения заряженных частиц или генерации электромагнитного излучения. В качестве основы возникновения сильно нелинейных режимов трансформации оптической энергии в работе изучаются эффекты, обусловленные ультрарелятивистской самосогласованной динамикой электронов плазмы при воздействии на нее интенсивного лазерного излучения. Изученные эффекты легли в основу предложенных в работе новых концепций решения вышеупомянутых прикладных задач.
Целями данной работы являются:
изучение эффектов, обусловленных ультрарелятивистским характером движения электронов при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного импульса с плазмой;
анализ результатов численного моделирования и разработка аналитических подходов для описания условий возникновения и результатов проявления изучаемых эффектов;
разработка новых концепций ускорения заряженных частиц и генерации рентгеновского и гамма излучения при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с пространственно-структурированными мишенями;
разработка программ для численного моделирования методом частиц в ячейках (Particle-In-Cell - РІС) процессов взаимодействия релятивистски интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов со структурированными плазменными мишенями в одномерной, двумерной и трехмерной геометрии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена новая концепция генерации квазимоноэнергетических пучков протонов и лёглих ионов с энергией до нескольких сотен МэВ путем создания ускоряющих полей при просветлении последовательности тонких фолы под воздействием фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью на уровне 1022 Вт/см2.
Развита новая схема двухстадийного ускорения протонов, включающая ускорение краевым полем при прохождении через отверстие полой сферической мишени пучка протонов, ускоренных с внутренней поверхности сферы в режиме TNSA.
Предложена новая мишень для создания сверхяркого источника гамма излучения, основанного на столкновении отраженного от слоя плотной плазмы лазерного импульса с пучком электронов, ускоренных в кавита-ционной области, создаваемой этим же импульсом при распространении в разреженной плазме до момента отражения.
Показано, что в определенной области параметров при наклонном облучении поверхности закритической плазмы релятивистски сильным излучением возникает трехстадийное преобразование энергии падающего излучения, в котором определяющую роль играет трансформация оптической энергии в энергию внутренних плазменных полей и ультрарелятивистских сгустков электронов.
На основе предложенных и теоретически обоснованных постулатов сформулирована и развита новая аналитическая модель «релятивистской электронной пружины», которая с высокой точностью описывает сильно нелинейную пространственно-временную динамику и излучение образующихся наноразмерных пучков электронов во всех режимах взаимо-
действия релятивистски интенсивного излучения с поверхностью закри-тической плазмы в пределах определенной области параметров взаимодействия.
Предсказан эффект генерации гигантских аттосекундных импульсов с амплитудой, значительно превосходящей амплитуду излучения, падающего на поверхность закритической плазмы, а также найдены оптимальные условия взаимодействия.
Предложена новая концепция получения излучения с интенсивностью на уровне 1026 Вт/см2 за счет фокусировки гигантских аттосекундных импульсов при наклонном облучении мишени с поверхностью в виде слабо-искривленного желоба.
Разработан и применен для численных исследований взаимодействия излучения с плазменными структурами параллельный многомерный PIC-код, полностью лишенный численной дисперсии и нарушений уравнения непрерывности тока за счет применения оригинального параллельного алгоритма многомерного быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Научная и практическая значимость.
Предложенная концепция многокаскадного ускорения протонов на последовательности тонких фолы при использовании доступных сегодня мультипетаваттных лазерных импульсов представляет путь получения пучков протонов, которые по своим характеристикам отвечают ряду важных приложений, включая адронную терапию.
В рамках развития схемы двухстадииного ускорения протонов на полой сферической мишени с отверстием предложены конкретные способы увеличения энергии протонов для актуальных приложений.
При исследовании процесса лазерного ускорения электронов в разреженной плазме в кавитационном режиме было установлено, что одна из основных причин вариабельности количества электронов в ускоряемом пучке связана с чувствительностью механизма самозахвата электронов к условиям формирования кавитационной структуры, что может послужить основой для развития методов повышения стабильности механизма самозвахвата.
Предложенный в работе источник гамма излучения обладает рекордно высокой яркостью излучения - 1028 фотонов за 1 с на 1 мм2 и потому может найти приложения в фундаментальных исследованиях строения вещества.
Предложенный и развитый в работе теоретический подход «релятивистской электронной пружины» применим для описания ультрарелятивистской динамики возникающих наноразмерных электронных сгустков в достаточно широкой области параметров как плазмы (распределение плотности, состав и пр.), так и падающего на неё излучения (профиль, поляризация, и пр.), и потому может широко использоваться в задачах
исследования в данном процессе бесстолкновительного нагрева плазмы, ускорения электронов, генерации рентгеновского излучения и др.
Источник когерентного рентгеновского излучения, основанный на обнаруженном эффекте генерации гигантских аттосекундных импульсов, ввиду высокой эффективности трансформации оптической энергии может найти множество применений, среди которых можно выделить исследование внутримолекулярных структур на рекордно малых временных и пространственных масштабах.
Предложенная концепция получения интенсивностеи на уровне 1026 Вт/см2 при облучении мультипетаваттным лазерным импульсом под оптимальным углом поверхности мишени с формой в виде слабоис-кривленного желоба представляет один из путей экспериментального наблюдения и исследования нелинейных свойств вакуума, таких как возникновение сверхплотной электрон-позитронной плазмы.
Разработанные параллельные компьютерные программы для моделирования плазмы методом частиц в ячейках в многомерной геометрии могут использоваться в качестве инструментов теоретического анализа для широкого класса задач в области лазерной плазмы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
При воздействии релятивистски сильного лазерного импульса на последовательность расположенных с определенными интервалами тонких плазменных слоев можно сформировать и поэтапно ускорить квазимо-ноэнергетический пучок протонов, синхронизовав его движение с моментами формирования ускоряющего поля разделения зарядов, вызванного пондеромоторным смещением электронов при поочередном просветлении слоев.
При воздействии лазерного импульса на полую сферическую мишень с отверстием генерирующиеся потоки электронов огибают сферу вдоль поверхности и, выходя за пределы мишени вблизи кромки отверстия, создают там поле разделения зарядов, которое может дополнительно ускорить протоны, ускоренные с внутренней поверхности сферы в режиме TNSA. При использовании фемтосекундных лазерных импульсов и размеров мишени порядка десятков микрон для эффективного ускорения на второй стадии важно синхронизовать момент выхода пучка протонов через отверстие и момент формирования в этой области ускоряющего поля, что можно сделать путем подбора размера фокального пятна или использованием мишени в виде эллипсоида.
Интенсивный циркулярно поляризованный лазерный импульс с пиковой интенсивностью на уровне 1022 Вт/см2 может быть использован для создания сверхяркого источника гамма излучения путем его разворота в
обратном направлении при отражении от слоя плотной плазмы и столкновения с пучком электронов, ускоренным этим же импульсом в кави-тационном режиме в предшествующем развороту слое разреженной плазмы.
Теоретическая модель «релятивистской электронной пружины» описывает сильно нелинейную ультрарелятивистскую динамику коллективного движения электронов вблизи поверхности закритической плазмы при её наклонном облучении оптическим излучением с интенсивностью более 1021 Вт/см2 при условии, что значение релятивистского параметра подобия, равного отношению плотности плазмы в единицах критической плотности к амплитуде излучения в единицах релятивистской амплитуды, находится в интервале 0,1 < S < 5 .
При оптимальных условиях воздействия на поверхность закритической плазмы оптического излучения с интенсивностью более 5х1021Вт/см2 динамика приповерхностных электронов приводит к генерации аттосе-кундных импульсов с амплитудой, значительно превышающей амплитуду падающего излучения. При интенсивности падающего излучения на уровне 1023 Вт/см2 и оптимальных значениях угла падения в « 62 и релятивистского параметра подобия S &1/2 амплитуда гигантского ат-тосекундного импульса может в десять раз превышать амплитуду падающего излучения.
При воздействии мультипетаваттного лазерного импульса на мишень с поверхностью в форме слабоискривленного желоба можно обеспечить генерацию гигантских аттосекундных импульсов при оптимальных условиях и их фокусировку в пятно с размером порядка десяти нанометров, где интенсивность достигнет значения свыше 1026 Вт/см2.
Достоверность полученных результатов подтверждается полным соответствием данных численного моделирования предложенным физическим механизмам рассмотренных эффектов. В свою очередь точность и достоверность результатов численного моделирования подтверждаются детальным исследованием применимости разработанных программных кодов на ряде модельных задач физики плазмы. Кроме этого, в работе приведены количественные оценки, обосновывающие все ключевые предположения и выводы. Полученные теоретические качественные и количественные предсказания с высокой точностью согласуются с результатами численного моделирования. Ряд полученных результатов подтверждается экспериментальными данными, полученными в Лундском университете (двухстадий-ное ускорение протонов на сферической мишени) и на установке PEARL в ИПФ РАН (ускорение электронов в газовых струях).
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты были представлены автором на семинарах в ИПФ РАН, в университете г. Умео (Швеция), в Лундском университете (Швеция) и в центре CELIA в г. Бордо (Франция), а также докладывались на 25 международных и общероссийских конференциях. По теме диссертации опубликовано 39 работ, в том числе 6 статей в реферируемых научных журналах, 2 статьи в сборниках трудов конференций, 1 статья в книге, 2 зарегистрированные программы ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Общий объем работы - 218 страниц, включая 48 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 215 наименований.
0.1. 4
0.2. Обзор литературы 14
0.2.1. Сверхмощные лазерные системы 14
0.2.2. Ускорение электронов 22
0.2.3. Ускорение лёгких ионов 28
0.2.4. Генерация аттосекундного излучения 41
1. Ускорение протонов при воздействии интенсивных лазерных импуль
сов на твердотельные мишени 50
Постановка задачи 50
Ускорение протонов на одномерных структурах 59
Эффекты, возникающие при релятивистской интенсивности 60
Эффект релятивистской индуцированной прозрачности слоя .... 60
Ускорение на тонкой фольге 68
Многокаскадный режим ускорения 71
Многомерные эффекты 75
Обсуждение результатов 77
1.3. Ускорение протонов на двумерных и трехмерных структурах 79
Эффект краевого поля 80
Ускорение протонов краевым полем 82
Возбуждение продольных потоков электронов 85
Сферическая мишень для ускорения протонов 88
Обсуждение результатов 95
1.4. Основные результаты и выводы 96
2. Ускорение электронов при распространении интенсивных лазерных
импульсов в газовых струях 98
2.1. Ускорение электронов в газовых струях 98
Особенности численного моделирования 99
Режимы распространения лазерного импульса 102
Захват электронов в ускоряющую область 105
Обсуждение результатов 108
2.2. Гамма-источник на лазерном ускорении электронов ПО
Ускорение электронов ПО
Отражение лазерного импульса 113
Столкновение лазерного импульса и электронов 118
Обсуждение результатов 120
2.3. Основные результаты и выводы 121
3. Ультрарелятивистская наноплазмоника 122
Постановка задачи 123
Теоретическая модель "релятивистская электронная пружина" 126
Методы исследования 126
Численное исследование 128
Постулаты и основные уравнения 133
Режимы взаимодействия 137
Обсуждение результатов 140
3.3. Генерация аттосекундного излучения 141
Генерация высоких гармоник 142
Учет ограниченной когерентности 144
Сравнение с результатами численного моделирования 144
Оптимальные условия взаимодействия 146
Обсуждение результатов 148
3.4. Концепция мишени в виде желоба для получения сверхсильных полей . 149
Постановка задачи и существующие концепции 149
Эффект генерации гигантских аттосекундных импульсов 151
Фокусировка гигантских аттосекундных импульсов 152
Численное моделирование 154
Обсуждение результатов 155
3.5. Обсуждение результатов 156
Заключение 159
Приложение 161 5.1. Численное моделирование 161
Подход "частицы в ячейках" 161
Интегрирование уравнений движения 165
Интегрирование уравнений электромагнитного поля 167
Процедура взвешивания 175
Начальные и граничные условия 178
Одномерный непараллельный код "PRISMA" 183
Двумерный и трехмерный параллельный код "EPMIS" 185
Тестирование и обсуждение результатов 189
Работы, содержащие основные материалы диссертации 195
Литература 197
ГОНОСКОВ Аркадий Александрович
Автореферат
Подписано к печати 22.11.11. Формат 60 х 90 Vie.
Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,75.
Тираж 125 экз. Заказ № 106 (2011).
Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 46
