КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-22-00119
НазваниеИсследование формирования преплазмы мишени для увеличения эффективности лазерного ускорения заряженных частиц.
Руководитель Брантов Андрей Владимирович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук , г Москва
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС
Ключевые слова гидродинамические расчеты; разлет плазменного факела; профили плотности мишени; расчеты методом частица-в-ячейке; лазерное ускорение электронов преплазмы; ускорение ионов полем разделения заряда.
Код ГРНТИ29.27.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Компактный источник лазерно-ускоренных заряженных частиц и вторичного излучения имеет широкий круг практических применений, начиная от диагностики плазменных процессов и заканчивая медицинскими применениями для ядерной медицины (наработка медицинских изотопов) и терапии раковых заболеваний. Эффективность лазерного ускорения во многом определяется профилем плотности облучаемой мишени, который модифицируется как предымпульсом короткого мощного лазерного импульса, так и может специально создаваться дополнительным, как правило наносекундным, импульсом. Изучение возможных профилей плотности мишени, образующихся под действием наносекундных импульсов, является актуальной задачей, на решение которой направлен данный проект. Ее решение позволит не только более адекватно описывать эксперименты по ускорению заряженных частиц релятивистским лазерным импульсом, имеющим неизбежный предымпульс, но и находить более выгодные профили мишени для повышения числа ускоренных заряженных частиц и их энергии.
Так, недавно было обнаружено, что наиболее эффективного ускорения электронов из мишеней низкой плотности можно ожидать в режиме самозахвата лазерного импульса и распространения его на значительные расстояния (намного превышающие Рэлеевскую длину). Однако получить необходимую мишень с характерным размером в несколько сотен микрон и однородной плотностью порядка десяти процентов от критической плотности (и даже выше) довольно сложно. Возможно, использование разлетающегося под действием наносекундного импульса плазменного факела твердотельной мишени позволит создать плазменный слой с указанными параметрам, которые можно ожидать в поперечном направлении разлетающейся плазмы, где ее размер зависит от пятна фокусировки падающего излучения.
Температура электронов, нагреваемых коротким мощным лазерным импульсом, зависит от продольного профиля плотности на облучаемой стороне мишени и, вероятно, существует оптимальный профиль плотности, позволяющий поднять температуру и число горячих электронов. Это оказывается важным, например, для получения источника вторичного рентгеновского излучения за счет тормозного и характеристического излучения нагретых электронов. Однако остается неясным, насколько реально ожидать возникновение оптимального профиля, какую мишень и какую энергию предымпульса (дополнительного импульса) необходимо использовать и как долго этот профиль может существовать на облучаемой стороне мишени. Ответы на эти вопросы будут получены в ходе выполнения проекта.
Эффективность поглощения лазерного излучения на облучаемой стороне мишени определяет и эффективность ускорения ионов с тыльной стороны мишени. Нагретые лазерным импульсом горячие электроны, проникая сквозь мишень, создают поле разделения заряда, которое ускоряет ионы до энергий порядка температуры горячих электронов. Наличие преплазмы на облучаемой стороне увеличивает эффективность нагрева электронов и, соответственно, ускорения ионов, что является позитивным эффектом предымпульса. Вместе с тем, наиболее эффективно ионы ускоряются из ультратонких мишеней, воздействие на которые предымпульса оказывает негативный эффект на ускорение ионов, разрушая тыльную поверхность мишени и уменьшая поле разделения заряда. Именно поэтому необходимо точно знать, при какой энергии предымпульса и за какие времена происходит разрушение тыльной поверхности мишени в зависимости от ее толщины. До сих пор не ясно, какой профиль преплазмы можно создать на облучаемой стороне мишени без разрушения ее тыльной стороны и можно ли таким образом увеличить эффективность ускорения ионов. Получение зависимости времени прогорания мишени от толщины и состава мишени является одной из задач проекта.
Таким образом, проведение предполагаемых в ходе выполнения проекта гидродинамических расчетов позволит ответить на целый ряд актуальных вопросов о простой схеме получения оптимальных мишеней на основе твердотельных фольг для эффективного ускорения короткими лазерными импульсами электронов и ионов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Рассмотрен процесс формирования лазерной короны при облучении металлической (алюминиевой) мишени импульсами наносекундной длительности и интенсивностями 10^12 − 5 × 10^13 Вт/см^2. Представлена физическая модель, необходимая для таких расчётов, а также обсуждаются основные эффекты, сопровождающие формирование плазмы при различных лазерных интенсивностях. Показано, что уравнение состояния идеальной плазмы с переменной ионизацией подходит для описания низкоплотной области разлетающейся плазменной короны и расчёты с его помощью согласуются с результатами более широкодиапазонного уравнения состояния, которое необходимо использовать для корректного описания динамики плотной части мишени, а также её смещения. Использование одномерной модели недостаточно для определения корректных градиентов электронной плотности в области критической плазмы: из-за эффектов бокового расширения плазмы градиенты становятся более крутыми. Продемонстрированы возможности управления параметрами
преплазмы с использованием предымпульса спонтанного усиления эмиссии основного мощного короткого импульса и при использовании независимого наносекундного импульса.
Проведено сквозное комбинированное гидродинамическое моделирование разлета мишени под действием наносекундного предымпульса и кинетическое моделирование ускорения электронов и протонов фемтосекундным лазерным импульсом из мишеней со сформировавшейся преплазмой. Проанализированы характерные профили преплазмы, возникающие в результате разлета алюминиевой мишени под действием наносекундного импульса. Показано, что эффективность ускорения электронов зависит не только от градиента плотности преплазмы, но и от положения фокуса падающего излучения на градиенте, что связано с возможной филаментацией лазерного импульса при его фокусировке в достаточно плотную плазму. Для достаточно низкоэнергетичного фемтосекундного лазерного импульса с энергией 50 мДж оптимальный градиент плотности преплазмы составляет 15-20 микрон, что позволяет получать пучки электронов с температурой более 2 МэВ и ускорять протоны из слоя загрязнения на обратной стороне мишени до наибольшей энергии более 3 МэВ.
Публикации
1.
Ракитина М.А., Брантов А.В., Глазырин С.И.
Laser acceleration of charged particles from preplasma
Laser acceleration of charged particles from preplasma.," 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, IEEE, С. 193 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624364
2. Брантов А.В., Ракитина М.А., Глазырин С.И. Эффективное лазерное ускорение электронов и ионов из мишеней с контролируемой преплазмой Квантовая электроника, Т. 54, No 6, С. 335-340 (год публикации - 2024)
3.
Быченков В. Ю., Брантов А. В., Куратов А. С., Лобок М. Г.
Laser-triggered terahertz emission from near-critical-density targets
Physical Review E , Т. 110, №6, С. 065203 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevE.110.065203
4. Глазырин С.И., Ракитина М.А., Брантов А.В. Формирование лазерной преплазмы для управления эффективностью ускорения частиц Физика плазмы (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Показано, что профили плотности преплазмы слабо зависят от материала мишени, а также показано минимальное влияние радиационного переноса на динамику разлета плазмы для всех рассмотренных плотностей энергии лазерного импульса (до 100 кДж/см^2) и материалов мишени (использовались мишени из алюминия, кремния, железа и вольфрама).
Продемонстрировано, что в мишенях, в которых успевает сформироваться преплазма, максимальная энергия протонов немного (на 5%) снижается по сравнению с мишенями без преплазмы только в случае оптимальной толщины мишени (составляющей десятки нанометров), но при этом максимальная энергия значительно слабее зависит от толщины мишени, поскольку эффективность ускорения определяется эффективностью поглощения лазерного импульса в короне.
Проведенное сквозное гидродинамическое и кинетическое моделирование воздействия на алюминиевую мишень с органическим слоем загрязнения на задней поверхности наносекундного предымпульса, а затем основного фемтосекундного лазерного импульса позволило количественно описать ускорение протонов в согласии с экспериментальными результатами, а также объяснить основные закономерности, наблюдаемые в эксперименте. Продемонстрирована возможность повышения энергии протонов, ускоряемых фемтосекундным лазерным импульсом мощностью 60ТВт, за счет выбора оптимального положения пятна фокусировки относительно поверхности облучаемой мишени при заданном наносекундном пьедестале, обусловленном усиленным спонтанным излучением. Это положение определяется как наилучший вариант фокусировки, обеспечивающий достаточно эффективное согласование падающего и захваченного преплазмой лазерного излучения в условиях возникающих самосогласованных пространственных профилей преплазмы и кратера (т.е. оставшейся толщины мишени) на облучаемой поверхности. При этом фокальное пятно не лежит на поверхности мишени, а сдвинуто в преплазму, что позволяет в 1.5 раза поднять максимальную энергию протонов.
Публикации
1.
Сафронов К. В., Брантов А. В., Флегентов В. А., Шамаева Н. Н., Горохов С. А., Тищенко А. С., Замураев Д. О., Федоров Н. А., Ковалева С. Ф., Шамраев А. Л., Глазырин С. И., Ракитина М. А., Быченков В. Ю.
Влияние положения фокуса на формирование преплазмы и ускорение ионов при лазерном облучении плоской мишени
Письма в ЖЭТФ, том 121, вып. 7, с. 562 – 571
(год публикации - 2025)
10.31857/S0370274X25040052
2. Брантов А.В., Ракитина М.А., Глазырин С.И. Сравнение характеристик пучков протонов, ускоряемых коротким лазерным импульсом с энергией порядка 2 Дж из ультратонких фольг и мишеней с преплазмой Квантовая электроника, том 55, No 7, стр. 423-428 (год публикации - 2025)