Стохастический нагрев электронов и инициирование ядерных реакций в лазерной плазме релятивистского лазерного импульсаНИР

Соисполнители НИР

МГУ имени М.В. Ломоносова Координатор
ФГУП "ЦНИИмаш" Соисполнитель
ФИАН Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Стохастический нагрев электронов и инициирование ядерных реакций в лазерной плазме релятивистского лазерного импульса
Результаты этапа: В рамках выполнения первого этапа проекта были проведены эксперименты на лазерной системе МЛЦ МГУ на основе кристалла Ti:Sapphire (длина волны – 800 нм, частота повторений – 10 Гц, макс. энергия – 20 мДж, мин. длительность импульса – 45 фс и пиковая интенсивность – 2х10^18 Вт/см^2) при различных уровнях контраста лазерного излучения и использовании различных мишеней (Fe, Pb, SiO2). Аналогичные серии экспериментов были выполнены при увеличенной до 350 фс длительности лазерного излучения. Получено, что при увеличении длительности лазерного импульса (до 350 фс, без изменения его энергии) для мишеней из железа (Fe) и свинца (Pb) интенсивность лазерного импульса уменьшается, но средняя энергия горячей электронной компоненты растёт. Возможно, такой рост энергии горячих электронов (точнее – появление новой горячей электронной компоненты с большими энергиями), связан с развитием стохастического нагрева, который не успевал развиться при маленькой длительности импульса в 45 фс. Кроме того, в ходе выполнения проекта была усовершенствована программа, численно решающая систему уравнений Власова-Максвелла, с целью описания взаимодействия относительно длинного пикосекундного лазерного импульса с плазмой. Была выполнена серия двухмерных расчетов, описывающих взаимодействие мощного лазерного импульса (с максимумом интенсивности 5х10^19 Вт/см^2, длительностью 0,7 пс, с пятном фокусировки в 4 мкм или в 6 мкм) с однородной малоплотной плазмой (с плотностью электронов порядка 0,02 — 0,05 критических плотностей и размером 1000 мкм). Для используемых параметров лазерного импульса было показано, что уменьшение пятна фокусировки (и, соответственно, полной энергии) приводит к падению максимальной энергии электронов. Также были найдены оптимальные параметры мишени (длина порядка 1000 мкм, плотность электронов мишени порядка 0,04 критической плотности), приводящие к стохастическому ускорению электронов до максимальных энергий (порядка 400 МэВ).
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Стохастический нагрев электронов и инициирование ядерных реакций в лазерной плазме релятивистского лазерного импульса
Результаты этапа: В ходе проведённых исследований, были выявлены условия появления горячей электронной компоненты, по-видимому, являющейся результатом развития процессов стохастического нагрева, при использовании длинного (300 фс) основного импульса. А именно: диапазон задержек между наносекундным предымпульсом, создающим предплазменный слой и основным импульсом (от -15 до -35 нс), а также положение фокуса основного излучения (от -150 до 50 мкм). Проведённые эксперименты по теневому фотографированию плазмы показывают качественную картину эволюции предплазменного слоя, создаваемого наносекундным предымпульсом. Эти результаты являются базисом для дальнейших исследований. На основе выявленных начальных условий возможно проведение PIC-моделирования, с целью определения физики процессов стохастического нагрева, которые наблюдаются экспериментально. В ходе проведенных расчетов на суперкомпьютере «Ломоносов» с использованием 3D 3V PIC-кода «Mandor» было показано, что электронные пучки с большими энергиями и зарядом могут быть получены в малоплотной плазме благодаря различным механизмам ускорения. Полученные результаты численного моделирования демонстрируют возможность генерации большого числа электронов с энергиями в несколько МэВ в протяженной докритической плазме при интенсивностях порядка 1018 Вт/см2 и позволившие выявить определяющую роль нелинейной стадии параметрической неустойчивости рамановского рассеяния вперед. Завершена модернизация оптического тракта лазерной системы «Неодим», позволившая добиться достаточного качества пучка для фокусировки излучения на поверхность мишени внеосевым параболическим зеркалом. В результате модернизации стало возможным достижение интенсивности свыше 1018 Вт/см2, что позволило провести несколько серий калибровочных экспериментов по ускорению электронов в лазерной плазме с использованием металлических мишеней при разных значениях величины предымпульса. Также проведены тестовые эксперименты по инициации ядерных реакций в лазерной плазме с регистрацией нейтронов.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Стохастический нагрев электронов и инициирование ядерных реакций в лазерной плазме релятивистского лазерного импульса
Результаты этапа: Проект посвящен исследованию фундаментальных процессов, протекающих при взаимодействии мощного лазерного импульса релятивистской интенсивности с лазерной плазмой. В работе осуществлено изучение сравнительного вклада различных механизмов в процесс ускорения электронов, а также рассмотрена новая идея об ускорении стохастически движущихся электронов, образованных дополнительным воздействием лазерного излучения, рассеянного в образовавшейся плазме. Теоретические расчеты показывают, что такой механизм ускорения электронов существенно эффективнее ускорения пондеромоторным потенциалом. В силу существенной зависимости механизмов ускорения электронов от длительности лазерного излучения, проект был реализован на двух лазерных системах, обеспечивающих сравнительную пиковую интенсивность лазерного излучения при различных длительностях лазерного импульса (50 фс и 1 пс). Экспериментальные исследования по проекту проводились на лазерной установке «Неодим» (ЦНИИмаш, г. Королев), а также на фемтосекундной лазерной системе МЛЦ МГУ имени М.В. Ломоносова. Моделирование взаимодействия лазерного излучения с плазмой проводилось с использованием трехмерного полностью релятивистского паралельного кода «Мандор» на базе ФИАН им. П.Н. Лебедева. В рамках проведенной работы было решены следующие задачи: Экспериментальное и теоретическое исследование процессов генерации высокоэнергетичных электронов и ионов при взаимодействии лазерных импульсов релятивистской интенсивности с лазерной плазмой. Изучение сравнительного вклада различных механизмов в процесс ускорения электронов, а также экспериментальная реализация механизма ускорения стохастически движущихся электронов лазерным полем. Проведение сравнительных исследований на двух лазерных системах с целью определения влияния на процессы ускорения заряженных частиц длительности лазерного излучения. Изучение ядерных процессов, инициированных в релятивистской лазерной плазме под воздействием высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов и ионов), осуществление фотоядерных реакций, изучение вопроса оптимизации выхода ядерных реакций на один лазерный импульс, формирование изотопов.

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".