ИСТИНА

Проект посвящен изучению механизмов генерации быстрых электронов с энергиями до нескольких МэВ в плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом релятивистской интенсивности (свыше 10^18 Вт/см^2) на поверхности вещества. Особое внимание предлагается уделить исследованию ускорения электронов за счёт стохастического нагрева, позволяющего получать электроны с энергиями, существенно превышающими (в десятки раз) пондеромоторный потенциал в поле световой волны релятивистской интенсивности. Расчеты показывают, что на эффективность данного механизма могут оказывать влияние как параметры формируемой плазмы (протяжённый градиент электронной плотности, наличие пространственных неоднородностей и сильных локальных полей в плазме), так и свойства самого лазерного излучения (пиковая интенсивность, контраст, длительность импульса). В то же время экспериментальные исследования в данном направлении практически отсутствуют. В рамках настоящего проекта планируется: - измерение параметров плазмы (средней энергии быстрых электронов в плазме, выхода жёсткого рентгеновского и гамма-излучения) в зависимости от длительности, контраста и интенсивности лазерного излучения с целью изучения механизма стохастического нагрева электронов и других эффектов в различных экспериментальных условиях и поиска оптимальных параметров для его реализации. Для этого будут проведены изучение рентгеновского спектра плазмы в различных энергетических диапазонах (10-100 кэВ, 100-1000 кэВ, свыше 1000 кэВ), а также непосредственное измерение как энергетического, так и углового распределения быстрых электронов, вылетающих из плазмы; - численное моделирование с помощью 3D3V PIC кода «Мандор» лазерно-плазменного взаимодействия в условиях, близких к экспериментальным, для более глубокого физического понимания процесса стохастического нагрева и оценки условий для наблюдения эффекта в эксперименте; - изучение возможности стохастического нагрева в пространственно-неоднородной плазме, создаваемой на динамически микроструктурированной поверхности мишени под воздействием предымпульса, опережающего основной импульс, за счёт возникновения сильных локальных квазистатических электрических полей на формируемых неоднородностях плазмы.

По итогам выполнения проекта получен ряд новых экспериментальных и теоретических результатов. В 2012 году: Проведена полная характеризация параметров лазерного излучения. Собрана новая система фокусировки лазерного излучения на мишень с помощью внеосевого параболического зеркала. Введены в эксплуатацию система контроля энергии лазерного излучения в каждом выстреле и система слежения за уводом пучка, связанного с тепловыми эффектами в лазерной системе. Достигнута интенсивность на мишени в 5х10^18 Вт/см^2 при энергии лазерного импульса в 12 мДж. Получены первые результаты по рентгеновской диагностике плазмы в диапазоне энергий квантов от 50 кэВ до 5 МэВ. Обнаружено, что в плазме по мере роста интенсивности лазерного излучения происходит генерация электронной компоненты с средней энергией до 340 кэВ. Механизмом ускорения электронов является, по всей видимости, пондеромоторное действие света на резкой границе плазма-вакуум. В 2013 году: Проведена серия экспериментов по взаимодействию лазерного импульса релятивистской интенсивности (свыше 10^18 Вт/см^2) с поверхностью твердотельных мишеней. Было обнаружено, что при введении предымпульса, опережающего основной на время от 0 до 20 нс и создающего преплазменный слой варьируемой протяжённости, в плазме появляется ряд новых механизмов ускорения электронов до аномально высоких энергий (свыше 1 МэВ). Численные расчёты показывают, что наблюдаемые эффекты могут быть связаны с самофокусировкой лазерного излучения по мере его прохождения в преплазме субкритической, образованием пучка быстрых электронов в квазистатическом поле на заднем фронте импульса и параметрического рассеяния света (Рамановское рассеяние и двухплазмонная неустойчивость).