Введение к работе
Актуальность работы
В настоящий момент в научных лабораториях мира существуют лазерные установки, которые позволяют генерировать импульсы фемтосекундной длительности с
00 О 1 ^ 1 Л
интенсивностью до 10 Вт/см . Уже при интенсивности лазерного импульса 10 -10 Вт/см напряженность электрического поля в нем достигает значений, сравнимых с внутриатомными полями, поэтому любое вещество при облучении такими импульсами мгновенно ионизуется и переходит в состояние плазмы. Электроны, осциллирующие в поле лазерного импульса с интенсивностью выше 10 Вт/см , обладают релятивистскими энергиями, поэтому при анализе распространения и поглощения сверхинтенсивных лазерных импульсов в плазме необходимо учитывать релятивистские эффекты. Физика взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с веществом включает в себя целый ряд быстропротекающих нелинейных процессов. Энергия лазерного излучения достаточно эффективно трансформируется в энергию заряженных частиц: электроны плазмы, ускоренные в электромагнитном поле лазера, являются причиной возникновения сильных электрических полей, в которых в свою очередь ускоряются ионы. Исследователями описано множество уникальных явлений, возникающих при распространении сверхинтенсивного лазерного импульса сквозь плазму: релятивистская самофокусировка и филаментация лазерного импульса, релятивистское просветление, возбуждение кильватерных волн в до-критической плазме, генерация электромагнитных полей СВЧ-диапазона и др.
Исследования взаимодействия сверхинтенсивных лазерных импульсов с веществом ведутся как экспериментально, так и теоретически. В силу нелинейного характера протекающих процессов точное аналитическое решение задачи часто оказывается невозможным, по этой причине особое место среди теоретических методов исследования занимает численное моделирование. В настоящее время наиболее подходящим для численного решения подобных задач признан метод «частица-в-ячейке» или PIC-метод, который позволяет осуществлять самосогласованное моделирование плазмы в электромагнитном поле, используя для расчетов обычный персональный компьютер. Плазма в РІС-методе представляется в виде совокупности отдельных «крупных» частиц, положительно и отрицательно заряженных, каждая из которых включает в себя большое количество реальных частиц, при этом отношение заряда к массе у «крупной» частицы такое же, как у реального электрона или иона. Учет взаимодействия между «крупными» частицами осуществляется посредством самосогласованного вычисления движения частиц и электромагнитных полей, создаваемых их движением. На основе PIC-метода создано большое количество расчетных кодов, среди них OOPIC (Object
Oriented PIC), VLPL (Virtual Laser Plasma Lab), MAGIC и MAGIC3D, OSIRIS и др. В России на данный момент одним из наиболее широко применяемых в научных исследованиях кодов является электромагнитный 3D PIC-код «Карат» [1], который позволяет моделировать широкий класс задач, включая задачи плазменной электродинамики, физики пучков, лазерной физики и др. Код «Карат» использовался в данной работе для численного решения задачи о взаимодействии сверхинтенсивных лазерных импульсов с веществом. Однако признавая и используя колоссальные возможности PIC-моделирования, полезно находить аналитическое решение задачи для тех случаев, когда такое решение существует, для сравнения результатов компьютерных расчетов с результатами аналитических вычислений.
Задача о взаимодействии сверхинтенсивного лазерного импульса с веществом, помимо фундаментального значения, имеет ряд практически важных приложений: лазерный термоядерный синтез и концепция «быстрого зажигания», инициирование ядерных и фотоядерных реакций, генерация сверхсильного магнитного поля, создание новых лазерно-плазменных источников тяжелых ионов, протонов, электронов, нейтронов, коротковолнового электромагнитного излучения и др.
Во всех этих областях научной деятельности важным показателем является та часть энергии лазерного излучения, которая трансформируется в энергию частиц плазмы. Эффективность инжекции лазерной энергии в плазму определяется, прежде всего, коэффициентом отражения лазерного импульса от поверхности плазмы. С момента появления лазеров проблеме определения коэффициента отражения было посвящено множество экспериментальных и теоретических работ [2-9]. Однако с ростом интенсивности лазерных установок возникает необходимость в проведении дополнительных исследований с целью определения зависимости коэффициента отражения от различных параметров лазерного импульса.
Помимо знаний о величине энергии лазерного излучения, инжектированной в плазму, для понимания и прогнозирования процессов, происходящих при падении лазерного импульса на плазменную мишень, необходимо иметь максимально полное представление о движении отдельных электронов и ионов в электромагнитном поле импульса. По этой причине решение задачи о движении заряженной частицы в электромагнитной волне имеет фундаментальное значение для анализа взаимодействия лазерных импульсов с веществом. Решению данной задачи посвящено множество теоретических исследований [10-16], а также экспериментальных работ [14, 15, 17].
Воздействие сверхинтенсивных лазерных импульсов на мишени различного состава может инициировать протекание в них ядерных и фотоядерных реакций. При
этом интенсивность лазерного импульса, необходимого для эффективного протекания
этих процессов, достигает 10 -10 Вт/см и была достигнута в лазерных установках лишь в последнее десятилетие. По этой причине в настоящее время активно ведутся исследования в данной области [18-22]. Подобные лазерно-плазменные устройства могут использоваться для анализа задач лазерного термоядерного синтеза, а также в нейтронографии, адронной терапии, утилизации ядерных отходов [23-25].
Исходя из обозначенных выше актуальных проблем в исследовании взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с веществом, была сформулирована цель данной диссертационной работы.
Цель работы
Целью работы является исследование и разработка теоретических моделей нелинейных физических процессов, протекающих под воздействием сверхинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов в плазме, включая генерацию быстрых электронов, ионов, плазменных колебаний, инициирование ядерных и фотоядерных реакций.
Для достижения поставленной цели в данной работе были решены следующие задачи:
-
Развита аналитическая релятивистская теория движения заряженной частицы в электромагнитном поле лазерного импульса.
-
Проведено расчетное исследование процесса отражения фемтосекундного лазерного импульса от плазмы околокритической плотности, исследована зависимость коэффициента отражения от различных параметров плазмы и лазерного импульса.
-
Проведено расчетное моделирование генерации нейтронов в ходе D-D реакции в лазерной плазме мишеней из дейтерированного полиэтилена под действием сверхинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов.
-
Построена модель и проведено расчетное исследование генерации нейтронов в ходе реакций фоторасщепления дейтерия с участием гамма-квантов тормозного излучения, протекающих под воздействием сверхинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на мишени из дейтерида палладия.
Научная новизна работы
Следующие научные результаты были впервые получены в ходе выполнения настоящей диссертационной работы:
1. Получено приближенное аналитическое решение уравнения движения релятивистской заряженной частицы в плоской квазимонохроматической электромагнитной волне. На основании сравнения результатов аналитического и численного расчета про-
демонстрировано, как точность аналитического решения зависит от интенсивности и длительности квазимонохроматической волны.
-
На основании результатов численных расчетов показано, что коэффициент отражения фемтосекундного лазерного импульса от плазмы околокритической плотности с ростом интенсивности убывает немонотонно и имеет локальный максимум при переходе в область релятивистских значений интенсивности.
-
Предложено использовать мишени из дейтерида палладия, облучаемые сверхинтенсивными фемтосекундными лазерными импульсами, для получения импульсов нейтронов с длительностью порядка длительности лазерного импульса, падающего на мишень.
Личный вклад автора
Все выносимые на защиту результаты работы получены автором лично или при его непосредственном участии: автором осуществлялись анализ текущего состояния научной проблемы, разработка расчетных схем, обработка данных численных расчетов, выполнение необходимых аналитических вычислений и интерпретация полученных результатов.
Практическая значимость
Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, имеют фундаментальное значение и могут быть использованы для дальнейшего развития теории взаимодействия сверхмощных лазерных импульсов с веществом. С практической точки зрения результаты работы могут быть использованы при анализе экспериментальных данных и разработке новых экспериментов в таких областях, как лазерный термоядерный синтез, ускорение заряженных частиц в плазме, нейтронография и др.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Согласно приближенному аналитическому решению релятивистского уравнения движения заряженной частицы в плоской квазимонохроматической электромагнитной волне движение частицы представляет собой наложение прямолинейного движения и колебательного движения с частотой, отличающейся от частоты поля и зависящей от его амплитуды. Полученное приближенное решение позволяет описывать движение частицы с хорошей точностью в широком диапазоне параметров лазерного импульса, точность решения возрастает с увеличением длительности и уменьшается с увеличением интенсивности электромагнитного импульса.
-
При нормальном падении лазерного импульса на плазму околокритической плотности коэффициент отражения излучения уменьшается с ростом его интенсивности, при этом существует область параметров, в которой наблюдается локальное увеличе-
ниє коэффициента отражения. Данная зависимость коэффициента отражения от интенсивности является следствием существования в плазме квазипериодической структуры электронной плотности, которая формируется при взаимодействии переднего фронта лазерного импульса с плазмой и распространяется вглубь плазмы вместе с импульсом. В зависимости от параметров импульса и плазмы данная квазипериодическая структура может быть причиной уменьшения или увеличения коэффициента отражения импульса.
3. При облучении слоистых мишеней из дейтерированного полиэтилена сверхинтенсивными лазерными импульсами возможно значительное (в десятки раз) увеличение полного выхода нейтронов. При использовании мишеней из дейтерида палладия возможно уменьшение длительности нейтронного импульса до сотен фемтосекунд.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях:
-
Пятая Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров, 26-29 апреля 2011.
-
10th Workshop "Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation, 50 Years of Self-Focusing", Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, April 19-20, 2012.
-
Nonlinear Optics: East-West reunion, Suzdal, Russia, September 21-23, 2011.
-
Шестая Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров, 24-27 апреля 2012.
-
11th Workshop "Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation", Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, April 11-12, 2013.
-
Конференция молодых ученых ИОФ РАН, Москва, 25 апреля 2013.
-
ICONO/LAT:2013 (International Conference on Coherent and Nonlinear Optics), Moscow, Russia, June 18-22, 2013.
Публикации
Результаты исследований изложены в 9 публикациях, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации
