ИСТИНА

Экспериментальные исследования показывают, что роль контраста в лазерно-плазменных взаимодействиях весьма неоднозначна. Создавая пре-плазменный слой, предымпульс может, как подавить механизмы ускорения электронов, так и инициировать развитие процессов, существенно повышающих энергию излучения плазмы. Предлагаемый проект направлен на исследование влияния контраста лазерного излучения на механизмы генерации “горячей” электронной компоненты. Для этой цели во временную структуру лазерного импульса (40 фс, 800 нм) релятивистской интенсивности (до 10^19 Вт/см^2), с хорошим контрастом (10^-8 – 10^-11), планируется внедрить искусственно созданный предымпульс (10 нс, до ~10^13 Вт/см^2) с управляемыми характеристиками (интенсивность, время опережения основного излучения). Это даст возможность провести диагностику излучения плазмы при различных параметрах. Сравнение полученных экспериментальных данных с численным моделированием (PIC кода Mandor и код GEANT), может помочь в понимании процессов, протекающих в плазме. В качестве одного из основных способов измерения параметров излучения плазмы, предполагается использовать методы, основанные на инициировании пороговых ядерных реакций с выходом нейтронов (например: d(d,n)3He, d(g,n)p или 9Be(g,n)4He). Их применение позволит: во-первых, надёжно зарегистрировать превышение определённого уровня по энергии излучения плазмы, а во-вторых, отработать методику по проведению ядерных реакций, возбуждаемых излучением плазмы, что в дальнейшем может быть использовано для задач ядерной астрофизики.

Основные результаты, полученные в 2014 году. Был поставлен эксперимент по изучению процессов генерации “горячей” электронной компоненты при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с преплазменным слоем, созданным искусственным наносекундным предымпульсом. Получены оптимальные диапазоны параметров эксперимента (задержка между импульсами, положение точки фокуса основного излучения, длительность основного излучения), определяющие конфигурацию преплазменного слоя, в которых наблюдаются максимумы выхода гамма-излучения плазмы (как интегральные, так и по энергии). В случае минимальной длительности основного импульса (50 фс) максимумы наблюдаются при совпадении по времени основного импульса и предымпульса, а также при опережении основного импульса предымпульсом на ~25 нс. Измерение спектров гамма-излучения показало, что в первом случае максимальная энергия гамма-квантов достигает 7 МэВ, а во втором – 2.5 МэВ. Следует пояснить, что максимальная энергия гамма-квантов в случае хорошего контраста, т.е. в отсутствии искусственного предымпульса, при тех же параметрах основного излучения не превышает 1.3 МэВ. В случае длинного основного импульса (300 фс, при той же энергии в импульсе, т.е. интенсивность ниже), максимумы выхода гамма-излучения наблюдаются при опережении предымпульсом основного импульса на ~20-30 нс, при этом максимальная энергии гамма-квантов, достигает тех же значений, как и в случае короткого импульса при нулевых задержках. Анализ экспериментальных данных и результатов, проведённого численного PIC моделирования (параметры преплазменного слоя взяты на основе данных теневого фотографирования и интерферометрии), позволил выявить основные процессы, ответственные за ускорение электронов, в случае короткого основного импульса. В первом максимуме (нулевая задержка между импульсами) реализуются: -- Релятивистская самофокусировка лазерного импульса в плазме, приводящая к увеличению амплитуды поля лазерного импульса. -- Вынужденное комбинационное рассеяние вперед (в области четверти от критической электронной плотности основного излучения), создающее плазменную волну. -- Разрушение (“wavebreaking”) плазменной волны, создающее “горячую” электронную компоненту. Во втрором максимуме, т.е. при опережении основного импульса предымпульсом на ~25 нс, электронная плотность длинного преплазменного слоя успевает уменьшиться, т.о. лазерный импульс эффективно взаимодействует лишь с коротким и плотным преплазменным градиентом, оставшимся вблизи поверхности мишени, что приводит к более сильной самофокусировке и быстрому нарастанию и разрушению плазменной волны. Однако, из-за малой длины взаимодействия, энергии электронов оказываются меньше, чем в первом максимуме. Был собран первый прототип, спроектированного ранее, магнитного электронного спектрометра, с расчётным диапазоном энергий детектируемых электронов от 0.1 до 10 МэВ. В тестовых экспериментах по измерению спектров электронов лазерной плазмы (без использования предымпульса) была показана возможность существенно сократить количество выстрелов, необходимых для набора спектра, по сравнению со стандартными сцинтилляционными методами, используемыми в нашей лаборатории. Кроме того, в ходе тестового эксперимента, помимо “горячей” электронной компоненты, зафиксированной ранее сцинтилляционными методами (в случае хорошего контраста, т.е. без предымпульса – до 1.2 МэВ), электронный спектрометр зафиксировал наличие слабого высокоэнергетичного хвоста в спектре электронов (до 3 МэВ), появление которого может быть объяснено слабым проявлением эффектов, описанных выше.