Введение к работе
Актуальность темы. Плазма, возникающая при облучении твердотельных мишеней ультракороткими (г ~10—1000 фс) высокоинтенсивными (/ ~1017—1021 Вт/см2) лазерными импульсами, является уникальным объектом исследования в области физики высоких плотностей энергий и физики плазмы.
При интенсивности лазерного излучения 1017—1019 Вт/см2 в плазме эффективно образуются потоки быстрых электронов, которые отвечают за генерацию рентгеновского излучения, формирование пучков ускоренных ионов и, как следствие, инициирование различных ядерных реакций.
Рентгеновское излучение, генерируемое в лазерно-плазменных экспериментах, считается достаточно хорошо изученным радиационным процессом. Однако, в случае релятивистских интенсивностеи (/ > 1018 Вт/см2) и в диапазоне энергий квантов 0,1-10 МэВ, в настоящее время не существует единого понимания о влиянии параметров лазерного излучения и плазмы на данный процесс. Это указывает на то, что проведение экспериментальных исследований в этой области остается востребованным. Актуальным направлением является и создание источника характеристического рентгеновского излучения с высокой спектральной яркостью, имеющего малый размер и короткую длительность, для задач, решаемых в физике твердого тела, химии, биологии, диагностике плотной плазмы, в физике быстропротекающих процессов. В данном направлении основные исследования сосредоточены на поиске новых типов мишеней и оптимизации параметров лазерного импульса для увеличения выхода рентгеновского излучения. Анализ современных теоретических и экспериментальных исследований показывает, что данная задача может быть решена с помощью новых наноструктурированных мишеней, облучаемых высококонтрастными лазерными импульсами.
Одной из важных тем лазерно-плазменного взаимодействия является исследование генерации быстрых ионов. При интенсивностях лазерного излучения на поверхности мишени >1018 Вт/см2 происходит эффективное ускорение пучков легких ионов в вакуум, как с фронтальной поверхности мишени, так и с обратной стороны мишени, не подверженной воздействию лазерного импульса. Актуальность таких исследований продиктована перспективностью использования ионных пучков в фундаментальных и прикладных задачах современной науки и техники, например, в концепции «быстрого зажигания» предварительно сжатых термоядерных мишеней, инициировании ядерных реакций, создании компактных источников нейтронов и протонов, станций по производству короткоживущих радиоактивных изотопов для пози-тронно-эмиссионной томографии, в адронной терапии онкологических заболеваний. Важным аспектом в таких исследованиях является изучение влияния параметров лазерного излучения и типа мишени на характеристики ускоренных частиц, такие как
энергетический спектр, угловое распределение, число частиц в пучке. В настоящее время малоизученным и недостаточно исследованным остается режим ускорения протонов при высоком контрасте лазерного импульса > 1010, в котором становится возможным использование ультратонких пленок в качестве мишеней, толщина которых много меньше, чем длина волны лазерного излучения. Ожидается что, использование ультратонких лазерных мишеней позволит значительно увеличить количество и максимальную энергию ускоренных ионов.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы: создание высокоэффективных лазерно-плазменных источников корпускулярного и рентгеновского излучения.
Задачи работы:
разработка и создание диагностических методик для исследований спектрально-угловых характеристик ускоренных ионов и жесткого рентгеновского излучения, генерируемых в лазерно-плазменных экспериментах.
экспериментальное исследование спектрально-угловых характеристик ускоренных дейтронов и протонов при взаимодействии интенсивных (1018—1019 Вт/см2) лазерных импульсов пикосекундной длительности с различными типами твердотельных мишеней.
экспериментальное исследование эффективности генерации жесткого рентгеновского излучения в зависимости от параметров фемтосекундных лазерных импульсов и типа твердотельных мишеней.
Научная новизна работы.
Впервые экспериментально измерены спектрально-угловые характеристики быстрых дейтронов, ускоренных навстречу лазерному пучку из твердотельных мишеней, содержащих дейтерий и тритий, при интенсивностях пикосекундного лазерного импульса ~1018 Вт/см2. Экспериментально показано, что основной вклад в нейтронный выход для (CD2)n - мишеней обусловлен дейтронами с энергиями в диапазоне 0,7-2 МэВ.
Экспериментально обнаружено, что при облучении мишеней, состоящих из водо-родосодержащего основания с точечной областью из металла, пикосекундными лазерными импульсами с интенсивностью 1018—1019 Вт/см2 наблюдается значительное увеличение выхода протонов.
Экспериментально обнаружен эффект, показывающий, что при взаимодействии р-поляризованного фемтосекундного лазерного импульса с массивной металлической мишенью при интенсивности порядка 1018 Вт/см2 выход жесткого рентгеновского излучения зависит от наличия наносекундного предымпульса только при малых углах наблюдения относительно поверхности мишени.
- Впервые проведены исследования квантового выхода характеристического рент
геновского Ко-излучения из наноструктурированных мишеней нового типа. Пока
зано, что при интенсивности р-поляризованного фемтосекундного лазерного из
лучения на поверхности мишени ~1017 Вт/см2, выход рентгеновского излучения из
мишеней с модифицированной поверхностью превышает в 1,7 раза аналогичное
значение для мишеней, изготовленных из полированной медной фольги.
Практическая значимость. Полученные в работе экспериментальные данные по оптимизации параметров корпускулярного и рентгеновского излучения лазерной плазмы дополняют и расширяют научное представление о данной проблеме, и могут использоваться при создании различных моделирующих установок, эффективных импульсно-периодических источников нейтронов, ионов и рентгеновского излучения с заданными параметрами в научно-практических целях. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для уточнения и развития теоретических моделей генерации ускоренных ионов, нейтронов и рентгеновского излучения в лазер-но-плазменных взаимодействиях, адекватных реальным экспериментальным условиям.
Личный вклад автора. Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялась разработка и выбор диагностических методик, постановка и проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов исследований и их интерпретация.
Положения, выносимые на защиту.
При взаимодействии пикосекундных лазерных импульсов с интенсивностью ~1018 Вт/см2 и наносекундным контрастом ~107 с твердотельными (CD2)n - мишенями основной вклад в нейтронный выход обусловлен дейтронами с энергиями в диапазоне 0,7-2 МэВ.
Квантовый выход характеристического рентгеновского излучения, возникающего при воздействии высококонтрастных р-поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 1017 Вт/см2 на медные мишени, поверхность которых состоит из упорядоченных наноструктур, превышает в 1,7 раза аналогичное значение для мишеней, изготовленных из полированной медной фольги.
При воздействии пикосекундных лазерных импульсов с интенсивностью ~1019 Вт/см2 выход протонов, ускоренных с тыльной поверхности твердотельной мишени, значительно возрастает с уменьшением интенсивности наносекундного предымпульса до ~108 Вт/см2 и толщины мишени, и не зависит от материала мишени.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, научных семинарах и конференциях: XXVIII European Conference on Laser Interaction with Matter (XXVIII ECLIM, г. Рим, 6-10 сентября 2004 г.), XI Всероссийская конференция «Диагностика высокотемпературной плазмы» (ДВП-11, г. Троицк, Московской обл., 13-18 июня 2005 г.), международная конференция «VIII Заба-бахинские научные чтения» (ЗНЧ-2005, г. Снежинск, Челябинской обл., 5-10 сентября 2005 г.), XXIX European Conference on Laser Interaction with Matter (XXIX ECLIM, r. Мадрид, 11-16 июня, 2006 г.), международная конференция «IX Забабахинские научные чтения» (ЗНЧ-2007, г. Снежинск, Челябинской обл., 10-14 сентября, 2007 г.), международная конференция «Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергии» - X Харитоновские тематические научные чтения (г. Сэров, Нижегородской обл., 11-14 марта 2008 года в), 6-й Российский симпозиум «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах» (г. Новый Афон, Абхазия, 23 июля - 1 августа 2008 г.), XXX European Conference on Laser Interaction with Matter (XXX ECLIM, Дармштадт, Германия, 31 августа - 5 сентября, 2008 г.), XXV International Conference on Equations of State for Matter (EOS-2010, n. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 1-6 марта, 2010 г.), 3rd EMMI Workshop on Plasma Physics with Intense Laser and Heavy Ion Beams (г. Москва, 20-21 мая, 2010 г.), юбилейная научная конференция, посвященная 50-летию создания Учреждения Российской академии наук Объединенного института высоких температур РАН (г. Москва, 21 октября 2010 г.).
По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи в реферируемых научных изданиях, входящих в перечень, рекомендуемых ВАК, и 11 работ в сборниках трудов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения. Работа изложена на 155 страницах, включает 71 рисунок, 10 таблиц и список цитируемой литературы по главам из 228 ссылок, включая пересекающиеся.
