Исследование особенностей взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения субрелятивисткой интенсивности со смешанными атомно-молекулярными кластерами: генерация двухэнергетического рентгеновского излучения и ускорение электроновНИР

A study of the interaction of femtosecond laser radiation with subrelativistic intensity with mixed atomic and molecular clusters. Generation of dual-energy X-rays and accelerated electrons.

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июля 2016 г.-30 июня 2017 г. Получение двухэнергетического источника рентгеновского излучения при воздействии фс-лазерных импульсов на смешанные кластеры
Результаты этапа: Переход к субрелятивистской интенсивности фемтосекундного лазерного излучения (I=3∙10^17 Вт/см^2) позволил достичь эффективности конверсии энергии лазерного излучения в характеристическую К-линию хлора 6∙10^-5 при возбуждении крупных кластеров фреона, образующихся из газовой смеси CF2Cl2-He (1:10, Т=300К, P=25атм). Кроме этого, оказалось возможным возбудить К-серию переходов в кластерах криптона (E=12,7 кэВ) с эффективностью конверсии около 2∙10^-7 при энергии лазерного импульса 50 мДж и интенсивности 5∙10^17 Вт/см^2. Проведено исследование генерации рентгеновского излучения при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами (I=5∙10^17 Вт/см^2) кластеров, образующихся при расширении вакуум бинарной газовой Ar-Kr смеси комнатной температуры и давлении 25 атм. Впервые установлен диапазон концентрации (3-15%) криптона в смеси, при котором формируются крупные (N~10^6 атомов/кластер) смешанные Ar/Kr кластеры. Индикатором наличия смешанных кластеров является появление двух характеристических линий, соответствующих серии К-переходов в аргоне и криптоне (3,1 кэВ и 12,7 кэВ) в спектре рентгеновского излучения из наноплазмы, образованной при воздействии на газокластерную струю фемтосекундным лазерным излучением субрелятивистской интенсивности (I=5∙10^17 Вт/см^2). Обнаружен эффект насыщения кластеров криптоном, который связывается с изменением динамики роста (в области концентрации криптона около 15%) эффективности конверсии лазерного излучения в К-линию криптона с увеличением концентрации криптона в бинарной газовой смеси. Установлено, что для смеси, в которой криптон играет роль легкого компонента Kr-CF2Cl2, оптимальная его парциальная концентрация для генерации смешанных кластеров, критически меняется и составляет около 96%. Криптон в этом случае сконцентрирован в оболочке кластера, в то время как для кластеров Ar-Kr – в его ядре. Проведена оптимизация выхода рентгеновского излучения из наноплазмы смешанных кластеров, установлено, что она достигается при фокусировке спектрально-ограниченных лазерных импульсов длительностью 50 фс в центр газокластерной струи, при их задержке относительно открытия газового клапана около 570 мкс. Показано, что можно варьировать амплитуды линий в полученном источнике двухэнергетического рентгеновского излучения, выбором соответствующих значений концентраций компонент бинарной смеси. Предложенная методика может быть использована для определения условий возникновения смешанных кластеров, а также для получения мультиэнергетических лазерно-плазменных источников сверхкоротких рентгеновских импульсов, которые могут использоваться для задач абсорбционной рентгеновской спектроскопии и денситометрии. Таким образом, запланированные работы за отчетны
2 1 июля 2017 г.-30 июня 2018 г. Получение двухэнергетического источника рентгеновского излучения при воздействии фс-лазерных импульсов на смешанные кластеры
Результаты этапа: 1. В рамках исследования возможностей управления относительными амплитудами линий в двухэнергетическом источнике рентгеновского излучения с использованием смешанных кластеров, был разработан ряд различных методик. Развит подход, в рамках которого показано, что варьирование концентрации криптона в смеси Ar-Kr в диапазоне 3-15% (при комнатной температуре и давлении 25 атм) позволяет получить лазерно-плазменный источник двухэнергетического рентгеновского излучения с характеристическими линиями аргона (Е=3 кэВ) и криптона (Е=12,7 кэВ), эффективность генерации которых изменяется в диапазоне (1,6÷0,2)×10^(-6) и (0,4÷1,2)×10^(-7) при вакуумной интенсивности фс-лазерного излучения 5∙10^17 Вт/см^2 (Е=50 мДж). Продемонстрирована возможность управления амплитудами линий вариацией интенсивности (энергии) воздействующего лазерного излучения. При возрастании энергии в импульсе от 20 мДж до 50 мДж, зарегистрировано падение интегральной энергии в линии аргона в 1,2 раза наряду с возрастанием энергии в линии криптона в 2 раза. Обнаружено, что добавление третьего легкого газа-релаксанта гелия к кластеризующейся смеси ведет к возрастанию амплитуды рентгеновской линии более легкого компонента кластера, формирующего «рубашку» и падению амплитуды линии компонента «ядра» кластера. Этот эффект продемонстрирован на примере смешанных кластеров, содержащих криптон как в качестве «рубашки», так и в качестве «ядра» (бинарные кластеры Ar-Kr и Kr-CF2Cl2). Методика, основанная на добавлении к смеси третьего легкого газа может быть также использована для диагностики наличия сегрегации исходных компонент в кластере. 2. Разработана методика тестирования рентгеновской поликапиллярной оптики и протестирован пробный образец поликапиллярной полулинзы, сфокусировавшей коллимированное рентгеновского излучение рентгеновской трубки (линия молибдена Е=17 кэВ) в пятно диаметром около 40 мкм и расходимостью около 0,3 мрад. Коэффициент передачи полулинзы составил около 10^(-5), что препятствует дальнейшему тестированию данного образца с использованием лазерно-плазменного источника рентгеновских импульсов. 3. Разработана методика, направленная на определение реализации условий процесса релятивистской самофокусировки, сопутствующей ускорению электронов в кластерах. Методика основана на оценке плотности электронов струи по спектральной модификации прошедшего лазерного излучения. 4. Обнаружен сдвиг спектра прошедшего излучения в ИК-область на величину более 250 нм, который может быть ассоциирован со стоксовой компонентой, появляющейся в результате рамановского рассеяния излучения на плазме. Такой сдвиг соответствует электронной плотности плазмы 10^20 см^-3, которой уже достаточно для преодоления порога релятивистской самофокусировки. В проведенных экспериментах обнаружено, что при фокусировке лазерного излучения с энергией импульса 20-50 мДж (вакуумная интенсивность (2-5)∙10^17 Вт/см^2) в область оси газокластерной струи (кластеры аргона – газ Ar, 25 атм или фреона - смесь CF2Cl2-He, 1:10, 25 атм) за струей наблюдается световой пучок, интегральная энергия в котором не меняется при взаимодействии лазерного излучения с кластерами, что указывает на процесс самоканалирования излучения с просветлением приосевой области пучка. Расходимость пучка 5±2 мрад соответствует поперечному диаметру филамента в кластерной струе около 60 мкм. Получен вид филамента сбоку, его протяженность оказалась порядка диаметра струи.
3 1 июля 2018 г.-30 июня 2019 г. Получение двухэнергетического источника рентгеновского излучения при воздействии фс-лазерных импульсов на смешанные кластеры
Результаты этапа: По итогами выполнения проекта были проведены исследования фемтосекундного высокоинтенсивного лазерного воздействия на кластерные струи в широком диапазоне параметров. Изучено формирование кластеров, генерация жесткого рентгеновского излучения в лазерной плазме, ускорение электронов до релятивистских энергий. Впервые установлен диапазон концентрации криптона в смеси аргон-криптон, при котором формируются крупные (N~10^6 атомов/кластер) смешанные Ar/Kr кластеры. Индикатором наличия смешанных кластеров является появление двух характеристических линий, соответствующих серии К-переходов в аргоне и криптоне (3,1 кэВ и 12,7 кэВ) в спектре рентгеновского излучения из наноплазмы, образованной при воздействии на газокластерную струю фемтосекундным лазерным излучением субрелятивистской интенсивности (I=5∙10^17 Вт/см^2). Обнаружен эффект насыщения кластеров криптоном, который связывается с изменением динамики роста эффективности конверсии лазерного излучения в К-линию криптона. Проведена оптимизация выхода рентгеновского излучения из наноплазмы смешанных кластеров. Показано, что можно варьировать амплитуды линий в полученном источнике двухэнергетического рентгеновского излучения, выбором соответствующих значений концентраций компонент бинарной смеси. Впервые экспериментально продемонстрировано преимущество применения кластеров криптона перед аргоном при ускорении электронов до релятивистских энергий при воздействии на струю импульса слаборелятивистской интенсивности (около 5х1018 Вт/см2). Показано формирование пучка заряженных частиц с энергий до 2 МэВ и расходимостью менее 0.15 рад. Механизм ускорения частиц по всей видимости связан с прямым лазерным ускорением в канале, формируемом при самофокусировке импульса по мере его распространения в кластерной струе. Обнаружено, что внесение положительного чирпа в импульс при его удлинении с 50 до примерно 120 фс приводит к значительному росту энергии частиц и повышению эффективной температуры с 150 до 300 кэВ. Это может быть связано с поджатием импульса в нелинейной среде, а также с более эффективным действием пондеромоторной силы на фронте импульса. Помимо научных результатов предложен ряд оригинальных методик для диагностики параметров кластеров формируемых при сверхзвуковом истечении смешанного газа из сопла. Так была впервые исследована эволюция рэлеевского сигнала в зависимости от концентрации криптона в бинарной газовой смеси Ar-Kr, которая позволяет оценить соотношение двух компонентов кластеров. Разработана методика, направленная на определение реализации условий процесса релятивистской самофокусировки, сопутствующей ускорению электронов в кластерах. Методика основана на оценке плотности электронов струи по спектральной модификации прошедшего лазерного излучения. На основе рентгеновский трубки, полукапиллярной линзы, установленной на специальном прецизионном столике, продемонстрирована методика оценки фокусирующей способности рентгеновских поликапиллярных линз. Полученные результаты и разработанные подходы могут найти применение в фундаментальных исследованиях ускорения частиц в кластерах, а также в прикладных задачах использования продуктов плазмы (электронов, жесткого рентгеновского излучения), таких как радиография, возбуждение вторичных процессов, денситометрия и другие.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".