ИСТИНА

Ключевой задачей проекта является оптимизация источника ионизирующего излучения сверхкороткой длительности на основе релятивистской лазерной плазмы для его применения в вопросах исследования внутренней структуры плотных твердотельных веществ методами рентгено- и гамма-радиографии и изучения стабильности работы и стойкости к образованию дефектов электронных компонентов (микросхем и т.д.) под действием пучков квантов и частиц высокой энергии. Оптимизация будет проведена с использованием наноструктурированных мишеней нового типа. В связи с этим проект объединяет несколько направлений исследований: поиск оптимальных конфигураций наноструктурированных мишеней (размеры, формы, степень заполнения поверхности) в широком диапазоне изменения параметров мощных сверхкоротких лазерных импульсов (длительность, интенсивность, контраст) с помощью численного моделирования методом крупных частиц (PIC); разработка методов и создание мишеней с контролируемой развитой структурой поверхности различного типа (от нитей и пор различной конфигурации до сверхтонких мембран и каналов) на масштабе длины волны греющего лазерного излучения; исследование лучевой стойкости образцов к воздействию лазерного излучения различной длительности, мощности и длины волны; выявление и изучение основных механизмов ускорения частиц в плазме и генерации рентгеновского и гамма излучения; определение эффективности лазерно-плазменного источника и измерение его спектральных характеристик; опытное обоснование применимости продуктов плазмы для практических задач. Основные цели проекта состоят: 1) в экспериментальном поиске новых условий взаимодействия лазерного излучения с наноструктурированными мишенями, при которых может быть достигнуто высокое преобразование энергии лазерного импульса в энергию ускоренных частиц за счёт действия на сложной поверхности мишени новых механизмов генерации частиц. Варьируемые параметры задачи включают в себя как свойства самой мишени («выращивание» и отработка методики создания образцов с разными типами структур большой площади для облучения на высокой частоте повторения импульсов), так и ключевых свойств лазерного импульса (пиковой интенсивности, контраста, угла взаимодействия и т.д.), 2) в применении продуктов лазерной плазмы в актуальных задачах рентгеновской и гамма радиографии плотных объектов для изучения их внутренней структуры, выявления неоднородностей, скрытых образований и исследования радиационной стойкости электронных компонентов к воздействию сверхкоротких пучков продуктов плазмы (квантов, электронов и ионов) с высокой энергией. Помимо прикладных задач планируется также исследовать и сопутствующие физические явления, протекающие в лазерной плазме, такие как образование и распространение ударных волн в плазме, её разлёт, которые оказывают значительной влияние на эффективность применения продуктов плазмы к вышеупомянутым задачам. Такой комплексный подход, в основе которого лежит отработка и обоснование применения нового типа мишеней, исследование фундаментальных физических явлений, протекающих при лазерно-плазменном взаимодействии, и применение к целому ряду прикладных задач предлагается впервые. Актуальность выбранного исследования объясняется не только значимостью практической реализации прикладных задач, на решение которых с помощью нового типа корпускулярного плазменного источника нацелен проект, но и изучением новых физических явлений, протекающих при релятивистском лазерно-плазменном взаимодействии. Основные экспериментальные работы будут проводиться на тераваттном фемтосекундном лазерном комплексе МГУ.

The main task of the project is the optimization of source of ultrashort ionizing radiation based on relativistic laser-driven plasma for its application in problems of investigation of internal structure of dense solid objects by methods of X-ray and gamma radiography and study of work stability and resistance to formations of defects of electronic components (microchips etc.) under the action of beams of high energy quanta and particles. The optimization will be carried out with the use of novel type of nanostructured targets. Thus the project unites a few directions of investigation: the search for optimal configurations of nanostructured targets (its size, rate of structures density) in a wide range of parameters of high power ultrashort laser pulses (duration, intensity, contrast) with the use of numerical Particle-In-Cell modeling; the development of methods and production of targets with controlled surface structure of varied types (from wires and pores of different configuration to ultrathin membranes and channels) on wavelength scale of heating radiation; the investigation of damage threshold of targets under the action of laser pulses with varied duration, power and wavelength; the reveal and study of main mechanisms of particles acceleration in plasma and generation of X-ray and Gamma radiation; the estimation of efficiency of laser-plasma source and measurement of its spectral characteristics; the experimental justification of applicability of plasma products for practical tasks. The key goals of the project are: 1) experimental search for new conditions of interaction of laser radiation with nanostructured targets, at which the high transform of laser pulse energy into energy of accelerated particles may be achieved due to action onto the surface of the target of new mechanisms of hot particles generation. The variable parameters include both the properties of the target itself (the growth and working off of the method of targets production with varied types of structures with large size for its irradiation at repetition rate of laser pulses) and the main properties of laser pulse (peak intensity, contrast angle of incidence etc.), 2) the use of laser plasma products for actual tasks of X-ray and gamma radiography of dense objects to study their internal structure, revealing inhomogeneities, hidden modifications and the investigation of radiation durability of electronic elements to the action of ultrashort beams of high energy plasma products (quanta, electrons and ions). Besides the applications it is planned to investigate adjacent physical processes taking place in laser plasma, such as formation and propagation of shock waves in plasma, its expansion, which play a significant role in efficiency of use of plasma products in the mentioned above tasks. Such complex approach, which is based on working off and justification of applicability of new types of targets, investigation of fundamental physical phenomena, taking place at laser-plasma interaction and application in a whole number of tasks is proposed for the first time. The relevance of investigation is determined not only by the significance of practical realization of proposed tasks on the solution of which the project is aimed with the help of a new type of corpuscular plasma source, but also by the study of new physical phenomena taking place at relativistic laser-plasma interaction. The main experiments will be held on terawatt femtosecond laser system of Moscow State University.

По мере последовательного выполнения проекта в течение трёх лет планируется достичь следующих результатов: 1) Отработать методику изготовления образцов мишеней с заданной конфигурацией поверхности и внутренней структуры с упорядоченными неоднородностями на масштабах длины волны лазерного излучения. 2) На основе численного моделирования взаимодействия релятивистски-интенсивного лазерного излучения с наноструктурированными мишенями выявить особенности генерации быстрых электронов в плазме и найти режимы, при которых достигается значительный рост энергии и количества быстрых частиц в плазме. Выработать рекомендации для производства образцов с заданными характеристиками, обеспечивающими значительно возрастание свойств лазерно-плазменного источника. 3) С использованием типовых образцов исследовать их лучевую стойкость к плавлению, абляции и плазмообразованию под воздействием лазерных импульсов с длительностью от нано- до фемтосекундного диапазона и длинами волн от видимого до инфракрасного диапазона и определить границы параметров лазерного излучения (в первую очередь контраста лазерного импульса), при которых возможно эффективное применение мишеней нового типа. Помимо прочего, данные результаты имеют важно прикладное значение для дальнейшего расширения применения структурированных образцов на других лазерных системах мульти-тераваттной и петаваттной мощности. 4) Изучить энергетические и пространственные характеристик заряженных частиц (электронов и ионов), ускоряемых в плазме структурированных на масштабе менее длины волны мишеней. Определить механизмы их генерации. Найти условия (параметры мишени и лазерного импульса), при которых возможно получение пучков заряженных частиц с аномально высокой энергией за счёт действия новых эффектов их генерации, повышенной яркости источника в рентгеновском и гамма диапазон, которые могут быть применены для смежных прикладных и фундаментальных задач. Мы полагаем, что наш систематический подход к изучению свойств плазмы, создаваемой на поверхности мишеней с разными, но при этом контролируемо создаваемыми структурами малого размера, позволит выявить закономерности в механизмах ускорения частиц, наблюдать новые эффекты и расширить фундаментальные научные знания в этой области, которые пока еще ограничены с точки зрения экспериментальных результатов. С точки зрения прикладных исследований, результаты проекта позволят расширить применимость лазерно-плазменных источников в задачах, упомянутых выше, за счёт обнаружения новых механизмов повышения яркости источников, выработки рекомендаций по проведению экспериментов. 5) На основе экспериментальных данных и оценок яркости, размеров, направленности и других ключевых характеристик источника получить критерии применимости продуктов плазмы для прикладных задач получения изображений в рентгеновском и гамма диапазоне, исследования стойкости микросхем в воздействию потоков ионизирующего излучения и других. 6) С использованием потоков рентгеновских и гамма квантов, быстрых электронов и ионов выполнить работы по прикладным направлениям проекта. В частности: продемонстрировать принципиальную возможность получения изображения плотных объектов в рентгеновском и гамма диапазоне. Обозначить границы применимости источника и исследуемого объекта, при которых возможно добиться высокой контрастности изображения, возможности выделения вкраплений, изменений плотности и других внутренних неоднородностей; сымитировать работу микросхем и других электронных элементов в условиях космоса и под действием мощных потоков ионизирующего излучения в режиме интегрального облучения в течение длительного времени, а также в режиме воздействия мощными сверхкороткими импульсами квантов, ионов и пр..

У коллектива имеется достаточный опыт для выполнения проекта.