КУЛОНОВСКОЕ УСКОРЕНИЕ ЛЕГКИХ ИОНОВ ИЗ ОДНОРОДНЫХ И СЛОИСТЫХ МИШЕНЕЙ
Е. А. Говрас* В. Ю. Быченков**, А. В. Брантов***
Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии паук 119991, Москва, Россия
Поступила в редакцию 3 марта 2011 г.
Применительно к проблеме лазерного ускорения ионов развита теория разлета полностью ионизованной тонкой мишени двухкомпонентного ионного состава в режиме кулоновского взрыва, характерного для взаимодействия релятивистски сильных фемтосекундных лазерных импульсов с нанофольгами. На основе этой теории и простой численной модели изучено формирование сгустков квазимоноэнергетиче-ских легких ионов и найдены их характеристики в зависимости от параметров мишени. Проведен сравнительный анализ ускорения легких ионов, однородно распределенных в мишени и сконцентрированных в виде тонкого слоя. Для получения пучков ускоренных ионов высокого качества найдены оптимальные условия, которые нашли свое качественное подтверждение проведенными трехмерными кинетическими расчетами взаимодействия лазерного импульса с тонкими мишенями.
1. ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие ультракоротких лазерных импульсов релятивистской интенсивности с различными мишенями газовыми, твердотельными, кластерными является перспективным научным направлением физики высоких плотностей энергии, позволяющим добиваться рекордных ускоряющих полей и энергий частиц. В результате такого взаимодействия уже достигнуты энергии ускоренных электронов, превышающие 1 ГэВ [1], а энергия ионов приближается к 100 МэВ/нуклон [2]. Ускорение ионов под действием мощных ультракоротких лазерных импульсов связано с большими полями разделения заряда, что качественно отличается от ускорения ионов в случае изотермического [3, 4] или адиабатического [5, 6] разлета плазмы в лазерных полях умеренной интенсивности.
С получением лазерно-ускоренных пучков частиц связывается широкий спектр практических применений от ускорительных и ядерных до материа-ловедческих и медицинских. В свою очередь, каждая область возможного применения диктует свои требования, которым необходимо удовлетворять, и которые, в идеале, предполагают возможность полу-
* E-mail: egovras'ffllebedev.ru
E-mail: bychenk(ffllebedev.ru
E-mail: brantov'ffllebedev.ru
чония желаемой энергии генерируемого сгустка частиц, его хорошей коллимированности, моноэнерге-тичности, достаточной яркости пучка частиц и высокой частоты воспроизведения сгустков частиц. Некоторые из параметров пучка, например частота воспроизведения, зависят целиком от используемого лазера, а другие, такие как моноэнергетичность, можно улучшать подбором параметров и конструкции мишени, облучаемой лазерными импульсами.
Результатами экспериментов [7 10], численных моделирований [11 17] и аналитических исследований [18 22] были подтверждены преимущества использования двухкомпонентных лазерных мишеней, состоящих из тяжелых атомов с большим зарядом ядра, формирующих остов мишени, и легких атомов. В работе [11] было также показано, что существенное улучшение качества генерируемых пучков ионов возможно при использовании слоистой фольги, при изготовлении которой легкие атомы наносятся в виде тончайшего покрытия на тыльную сторону облучаемой мишени. В этом случае легкие ионы очень быстро попадают в область сильных полей разделения заряда, созданных электронами, оторванными от тяжелых ионов. При этом ускорение легких ионов будет протекать тем эффективнее, чем больше отношение их заряда к массе по сравнению с тяжелой ионной компонентой. Схожий вариант оптимального расположения слоя легкой компо-
нонты попов был предложен для случая кулоновско-го взрыва сферического двухкомпонентного кластера [23], где наиболее эффективным, с точки зрения основных параметров пучка, является определенный профиль начальной плотности легких ионов с максимумом вблизи границы сферы.
Тем не менее расположение легких ионов вблизи границы мишени с вакуумом не всегда является лучшим вариантом для повышения качества пучков легких ионов. В отличие от [11], в работе [24] авторы исходят из предположения, что максимизация перепада потенциала, проходимого легким ионом при ускорении из тонкой фольги, достигается, если располагать примесные ионы с фронтальной стороны мишени.
Поиск наилучшего расположения слоя примесных ионов в мишени не исчерпывает возможных путей улучшения практически важных характеристик пучка частиц. Остается открытым вопрос, а является ли наилучшим по совокупности параметров мишени и технологичности ее приготовления сама идея локализации всех примесных ионов в слой некоторой толщины. Более простым с практической точки зрения является равномерное распределение примеси по объему мишени. Непосредственное численное моделирование [16] показывает, что однородное распределение легких ионов по всей толщине фольги не уступает по характеристикам генерируемого пучка случаю слоя у задней стенки мишени. Обоснованием этого факта может служить сильное действие собственного кулоновского поля легких ионов при достаточно больших их плотностях, концентрируемых в небольшом объеме мишени. Собственное поле, действуя на поздних стадиях ускорения, будет увеличивать спектральную ширину пучка, приближая его по характеристикам к случаю, отвечающему начальному однородному распределению легкой компоненты ионов. Изучению этого вопроса при любых плотностях компонент мишени посвящена данная работа, где мы даем обоснование выбора оптимального распределения примеси по объему мишени.
Важным параметром, допускающим оптимизацию, выступает полный заряд легких попов. В самом деле, при очень большой плотности легкой компоненты, когда фактически происходит кулонов-ский взрыв фольги с ионами одного сорта, моноэнергетический пучок ионов но должен образовываться вообще [25]. При малых же концентрациях в конечном пучке легких попов, хотя и монохроматическом, будет содержаться малое по абсолютной величине число частиц. Тогда можно предположить, что меж-
ду этими двумя предельными случаями возможно такое значение полного заряда примеси, при котором в заданном узком спектральном интервале ускоренный пучок будет содержать в себе наибольшее число частиц.
Таким образом, проблема оптимизации ускорения ионов короткими лазерными импульсами путем определенного структурирования мишеней двухкомпонентного ионного состава остается актуальной, но имеющееся обилие работ не дает однозначного ответа на поставленный вопрос, поскольку решаемая задача зависит от многих параметров, таких как атомный состав мишени, ее полный заряд и величина относительного заряда ионных компонент, их пространственное распределение в мишени, мера зарядовой компенсации благодаря неполной эвакуации электронов. Отмстим также, что наряду с отмеченными сложностями практическое воплощенно выбранного структурирования в мишени, облучаемой релятивистски сильным лазерным импульсом, представляет собой сложную задачу в силу того, что речь идет о наноразмерных эффектах. Такие методы ускорения частиц с использованием релятивистски интенсивных лазерных импульсов из нанострук-турированных мишеней фактически свидетельствуют о появлении таких новых направлений фундаментальной н прикладной пауки, как релятивистская лазерная наноплазмоника и релятивистские на-нотехнологии, бурное развитие которых можно прогнозировать в ближайшие годы.
Современные трехмерные кинетические численные коды позволяют моделировать ускорение частиц при взаимодействии коротких лазерных импульсов со сложными мишенями. Однако в силу высокой ресурсозатратности и наличия многопараметрических зависимостей численным расчетам должны предшествовать теоретические построения, дефицит которых сдерживает нахождение наиболее оптимальных схем лазерного ускорения попов. Задача таких теоретических моделей, пусть и достаточно упрощенных, состоит в том, чтобы выявить характерные зависимости ускорения частиц от параметров мишени и очертить область значений этих параметров, представляющую наибольший интерес для получения пучков наилучшего качества. Шаг в этом направлении мы делаем в настоящей работе, рассматривая одномерный разлет двухкомпонент-ной фольги в режиме кулоновского взрыва. Изучению именно плоских мишеней в последнее время уделяется большой интерес в связи с возможностью получать направленные пучки частиц с угловым разбросом порядка нескольких градусов в отличие от
кластерных мишеней, когда генерация частиц происходит в полный телесный угол. Используемый нами механизм кулоновского взрыва уже применялся в ряде работ для описания разлета заряженных мишеней различного ионного состава в разнообразных геометрических постановках: тонких плоских фольг [22, 26, 27], сферических кластеров [19, 21, 28] и цилиндрических наномишоной [29, 30].
Рассматриваемая ниже модель двухкомпо-нонтной мишени обладает тем преимуществом, что допускает наличие так называемого кулоновского поршня из тяжелых ионов, движущихся позади легкой примеси и являющихся основным источником ускоряющих полей. «Подталкивая» летящие впереди легкие ноны, кулоновский поршень позволяет уменьшить спектральную ширину и улучшить качество получаемого пучка [20]. При этом собственное кулоновское поле легкой ионной компоненты не играет первостепенной роли, и поэтому в некоторых аналитических работах [19, 27, 31] зарядовая концентрация примесных ионов считалась пренебрежимо малой, что позволяло исключить собственное поле легких попов из рассмотрения. Однако для ряда задач, например сравнения однородного распределения примесных попов и хорошо известного варианта напыления последних на тыльную сторону мишени [11], учет действия собственного кулоновского поля легких попов оказывается важным. Существенно действуя на поздних стадиях ускорения или при больших начальных концентрациях примесных попов, это поле может приводить не только к возрастанию максимальной энергии, но и к уширонию спектрального разброса и ухудшению качества генерируемых пучков. В этой связи мы ставим перед собой задачу учета как электростатического поля тяжелого ионного остова, так и собственного поля примесных ионов, аналогично тому, как это было сделано для случая
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.