ИСТИНА

Целью настоящего проекта является, на основе экспериментальных исследований и численного моделирования, установление физической картины динамики плазменных волн и формирования сгустков быстрых электронов (а также гамма квантов и протонов) при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения релятивистской интенсивности с плазмой, имеющей градиент электронной концентрации порядка длины волны греющего излучения. Для достижения данной цели планируется решение следующих задач: - комплексное экспериментальное исследование процесса взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с плотной управляемой плазмой, создаваемой наносекундным предымпульсом, с помощью широкого набора методик (электроны, ионы, гамма-излучение, оптическая диагностика, собственное электромагнитное излучение плазмы, нейтронная диагностика) при варьировании параметров используемых лазерных излучений (интенсивность, длительность, поляризация, угол падения, задержка и др.); - численное моделирование взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с сильноградиентной плазмой с помощью пакета Мандор, реализующего метод частиц в ячейке (PIC) при варьировании параметров плазмы и излучения в широких пределах (в частности, в область более высоких, чем это доступно в эксперименте); установление физических механизмов возбуждения плазменных волн, их развития и процессов ускорения электронов; - численное моделирование экспериментальных и расчетных данных с помощью пакета GEANT 4 и дополнительных инструментов обработки данных PIC кода для сравнительного анализа экспериментальных и расчетных данных; поиск на этой основе оптимальных условий для получения пучков заряженных частиц и гамма-квантов. Эксперименты в рамках проекта будут проводиться с использованием излучения тераваттного фемтосекундного лазерного комплекса МЛЦ МГУ (длина волны 805 нм, энергия импульса до 100 мДж на мишени, длительность импульса 45 фс, пространственное качество пучка М2=1.4, частота следования импульсов 10 Гц). Актуальность исследований определяется 1) фундаментальным интересом к формированию нелинейных плазменных волн в подкритической плазме и исследованию взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом; 2) возможностью создания компактных ускорителей электронов, протонов и ионов на энергию до 20 МэВ для применения в задачах ядернофизических исследований (ядерные реакции вблизи порога) и при решении проблем, связанных с контролем ядерных материалов. Важной особенностью таких комплексов является сочетание разнообразных короткоимпульсных источников – электроны, протоны, многозарядные ионы, гамма-кванты; 3) коммерческой доступностью компактных (table top) тераваттных фемтосекундных лазерных систем, обеспечивающих требуемую интенсивность при высокой частоте следования лазерных импульсов. Ключевые планируемые результаты проекта: 1) - получение массива экспериментальных данных (оптических, электронных, ионных, рентгеновских и ядерных) при варьировании параметров эксперимента; 2) - установление ключевых механизмов, ответственных за захват электронов и их ускорение при воздействии релятивистски интенсивного фемтосекундного лазерного излучения на плотную плазму с резким градиентом концентрации; 3) - определение оптимального режима воздействия и геометрии эксперимента для получения направленного пучка электронов с большим зарядом и средней энергией электронов порядка 5-10 МэВ при величине нормированного вектор-потенциала поля a~1-3, оценка параметров этого пучка; 4) - демонстрация возможности применения полученного пучка для инициирования ядерных процессов вблизи порога.

The project is aimed at experimental and numerical study of dynamics of waves and electron bunches (as well as gammas and protons) under action of relativistic femtosecond laser pulses onto the dense plasma with sharp electron gradient. We are going to - Make experimental study of this interaction creating controlled pre-plasma using additional nanosecond laser pulse and using wide variety of plasma diagnostics (electrons, ions, gammas, optical self-emission and pump-probe, neutrons). - Make numerical modeling of this interaction using 3D3P PIC code MANDOR. - Make numerical modeling of experimental and numerical data with GEANT 4 package This study is backed by (i) fundamental interest to nonlinear plasma waves formation and electron acceleration; (ii) feasibility of designing of compact accelerators of electrons, protons and ions with energies ~10-20 MeV for nuclear physics research, nuclear safety and non-proliferation; (iii) availability of compact table top TW femtosecond lasers having high repetition rates. We are going (i)to get experimental data from different channels (optics, electrons, ions, x-rays, gamma-rays, neutrons) at various experimental conditions; (ii) to establish key mechanisms responsible for electrons capturing and acceleration under action of relativistic laser pulse onto a sharp gradient dense plasma; (iii) to find optimal regime of interaction obtaining beamed electron bunches with high mean energy (10-15 MeV) and charge at normalized vector potential a~1-3; (iv) to make proof-of-principle experiments on near threshold nuclear reactions using the obtained electron bunch.

1. Временная динамика профиля концентрации электронов преплазмы в зависимости от интенсивности, угла падения, длины волны и поляризации наносекундного лазерного излучения 2. Массив экспериментальных данных при воздействии на мишень фемтосекундного лазерного излучения с высоким контарстом и результаты его обработки (оптические спектры и спектры частиц с разрешением по углу наблюдения) 3. Сопоставление экспериментальных данных и результатов численного моделирования в отсутствие наносекундного предымпульса для верификации численных моделей

Проведен цикл исследований о влиянии предымпульсов различной природы на ускорение и нагрев электронов в плазме, создаваемой лазерным импульсом с интенсивность порядка релятивистской. Впервые экспериментально показано, что наличие протяженного пространственного градиента электронной плотности (формируемого коротким предымпульсом, опережающим основной импульс на 13 нс) приводит к существенному росту средней энергии горячих электронов от 140 до 300 кэВ. Выявлена зависимость данного эффекта от амплитуды предымпульса и интенсивности основного импульса. Проведено исследование ускорения электронов в преплазме, создаваемой искусственным предымпульсом релятивистки интенсивным (~2x10^18 Вт cм2) лазерным импульсом имеющий резкий градиент концентрации, и выявлены ключевые стадии и механизмы ускорения электронов. Показана существенная роль комбинированной неустойчивости (комбинационное расеяние и двухплазмонный распад) в области около четверти критической плотности в ускорении электронов. Проведено комплексное исследование энергетических, зарядовых и массовых спектров ионов при их ускорении на границе плазмы, создаваемой на поверхности твердых мишеней. Впервые обнаружены отрицательные высокоэнергетичные ионы водорода, кислорода и углерода. Развита методика импульсной лазерной очистки поверхности мишеней, обеспечивающая преимущественное (до 99%) формирование тока быстрых ионов ионами основного материала мишени. Показано, что на лазерно-очищенной поверхности происходит эффективное ускорение быстрых многозарядных тяжелых ионов, причем происходит существенный рост как энергии этих ионов, так и их заряда. При лазерно-плазменной очистке поверхности получены квазимоноэнергетические пучки легких ионов (протонов, углерода, кислорода).