научная статья по теме ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ИОНОВ КОРОТКИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ИОНОВ КОРОТКИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 6, с. 514-540

УСКОРЕНИЕ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ

УДК 533.951

ГЕНЕРАЦИЯ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ИОНОВ КОРОТКИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

© 2004 г. А. Максимчук, К. Флиппо, X. Краузе1, Ж. Муру, К. Немото2, Д. Шульц1, Д. Умштадтер, Р. Вейн1, В. Ю. Быченков3, Г. И. Дудникова4, В. Ф. Ковалев5, К. Мима6, В. Н. Новиков3, Ю. Сентоку7, С. В. Толоконников8

Мичиганский университет, Анн Арбор, США 1Окриджская национальная лаборатория, Окридж, США 2Централъный научно-исследовательский институт электротехнической промышленности, Токио, Япония

3Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН 4Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск

5Институт математического моделирования РАН 6Институт лазерных технологий, Университет г. Осака, Япония 7Дженерал Атомикс, Сан-Диего, США 8РНЦ "Курчатовский институт" Поступила в редакцию 07.07.2003 г.

Окончательный вариант получен 04.09.2003 г.

Дан обзор большинства недавних достижений Центра ультрабыстрых оптических исследований (СиОБ) Мичиганского университета в области генерации мультимэвных ионных пучков при взаимодействии коротких импульсов мощного лазерного излучения с интенсивностью в диапазоне от 1017 до 1019 Вт/см2, сфокусированного на мишени из тонкой фольги. Исследовалась зависимость свойств ионного пучка от интенсивности и длины волны лазерного излучения и материала мишени. Изучалось также влияние нанесенного на мишень дополнительного сильнопоглощающего покрытия. Применение мишеней специальной формы позволяет управлять расходимостью протонного пучка и наблюдать ядерные превращения, индуцированные высокоэнергетичными протонами и дейтонами. Для моделирования процесса генерации энергетичных ионов используются качественные теоретические методы и численные расчеты методом частиц в ячейке с применением двумерных, полностью релятивистских моделей. Сравнение с экспериментальными данными проясняет такие детали, как форма энергетического спектра ионов для многокомпонентной плазмы, зависимость энергии ионов от пространственного масштаба предварительно созданной плазмы и толщины сверхплотной плазмы мишени, а также величина выхода генерируемых лазером изотопов. Дан теоретический прогноз применительно к задачам генерации ионов как на мощных лазерах с ожидаемыми в ближайшем будущем значениями энергий, так и на лазерной установке лабораторного масштаба с релятивистской интенсивностью, прототип которой уже используется в СИОБ в режиме коротких импульсов с длительностью в несколько периодов и размером фокального пятна порядка одной длины волны.

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие лазерных технологий сделало воз-

можным появление мощных лазеров, генерирую-

щих фемтосекундные импульсы с мощностью в не-

сколько тераватт, что позволяет исследовать меха-

низмы ускорения ионов до мультимэвных энергий.

При интенсивностях в фокусе I > 1018 Вт/см2 ускоре-

ние ионов при взаимодействии с лазерным излучением приводит к генерации мультимэвного пучка в направлении распространения лазерного импульса [1-4]. Эксперименты показывают, что при фокусировании ультракоротких лазерных импульсов с интенсивностью 1019-1020 Вт/см2 на твердые мишени появляется возможность высокоэффективного (с эффективностью до несколь-

ких процентов) преобразования лазерной энергии в энергию ультрабыстрых коллимированных ионных сгустков [3, 4]. Механизм ускорения и свойства быстрых ионов, генерируемых при взаимодействии коротких лазерных импульсов с плазмой, привлекают в настоящее время значительный интерес, связанный с возможными приложениями этих процессов к задачам создания новых источников нейтронов и производства изотопов. Контрольные эксперименты с использованием лазеров с большими энергиями в импульсе, появление которых ожидается в ближайшем будущем, нацелены на использование ультраинтенсивных лазерных импульсов для генерации пучков высо-коэнергетичных ионов, которые могут применяться в протонной терапии, для быстрого под-

жига в проблеме ядерного синтеза с инерциаль-ным удержанием в радиографии, в качестве источника нейтронов и при изучении ядерных явлений, происходящих на малых временных масштабах. Суммарная энергия ионов, генерируемых при взаимодействии с лазерным излучением, а также ее спектральное и угловое распределения являются предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований и многомерных численных расчетов.

То, что генерация быстрых ионов в лазерной плазме связана с горячими электронами, было понято довольно давно [5]. В настоящее время общепризнано, что причиной ускорения ионов является разделение зарядов в плазме, возникающее из-за наличия высокоэнергетичных электронов, возбуждаемых лазерным излучением внутри мишени [1-4, 6, 7] и/или индукционным электрическим полем, возникающим при генерации спонтанного магнитного поля [8]. Для сверхвысоких интенсивностей, ~1022 Вт/см2 возможно также непосредственное взаимодействие ионов с лазерным излучением [9]. Появление мультимэвных электронов возможно благодаря нескольким процессам, таким как стимулированное комбинационное рассеяние вперед, резонансное поглощение, стохастический нагрев, воздействие кильватерного лазерного поля, пондеромоторное ускорение стоячими и распространяющимися лазерными импульсами, "вакуумный нагрев" благодаря V х В компоненте силы Лоренца или эффекту Брунеля, опрокидывание кильватерной волны в процессе ее самомодуляции и бетатронный резонанс, возникающий при каналировании лазерного пучка. Наличие многочисленных механизмов генерации электронов порождает различные режимы ускорения ионов, что затрудняет исследование этих режимов. В настоящее время основное внимание уделяется исследованию механизмов ускорения ионов при взаимодействии лазерного импульса с твердой мишенью и определения параметров этого ускорения в зависимости от параметров лазерного импульса и плазмы. Очевидно, что лучшее понимание этих механизмов и количественные характеристики ускоренных ионов в зависимости от указанных параметров существенны для успешного использования генерируемых лазерами ионных пучков.

Из недавних публикаций следует, что имеются определенные разногласия по вопросу происхождения высокоэнергетичных ионов. Результаты одних экспериментов [6, 10-12] свидетельствуют о том, что наблюдаемые ионы мэвных энергий рождаются и ускоряются в плазме, образующейся на фронте мишени, что противоречит другим экспериментам [3, 4, 13-15], указывающим, что ускорение ионов происходит на обратной стороне мишени. При использовании электростатической модели для объяснения ускорения ионов

предполагается, что природа этих ионов одинакова для экспериментов обоих типов и единственное различие связано с толщиной плазмы, а точнее с тем, достигает или нет плазма обратной стороны мишени. Мы полагаем, что обе ситуации являются возможными в зависимости от характеристик лазерного импульса и электропроводности материала фольги. Помимо разногласий о происхождении высокоэнергетичных ионов, существуют серьезные противоречия относительно природы проникновения горячих электронов в твердые мишени [16, 17]. В этих работах эксперименты были выполнены с использованием лазерного излучения в зеленой части видимого спектра с примерно одинаковой длительностью импульса и интенсивностью вплоть до 4 х 1018 и 1019 Вт/см2 соответственно. Глубина проникновения горячих электронов в экспериментах [17] более чем на два порядка превосходила аналогичную величину, полученную в [16]. Различия в генерации высокоэнергетичных электронов и ионов в этих работах могут быть объяснены в рамках двух различных сценариев.

Сценарий 1. Для твердой мишени с высоким сопротивлением обратный ток внутри мишени в значительной степени подавлен. При этом горячие электроны, которые возникают при взаимодействии лазерного излучения с плазмой перед фольгой, проникают вглубь только на расстояние порядка дебаевского радиуса, Под действием создаваемых ими электростатических полей электроны разворачиваются внутри мишени (при условии, что толщина фольги превышает дебаев-ский радиус для горячих электронов) и возвращаются обратно (так называемый "фонтан-эффект"). В дебаевском слое и происходит ускорение ионов, которые таким образом появляются на передней стороне мишени.

Сценарий 2. Горячие электроны глубоко проникают вглубь мишени, достигая обратной ее стороны. Условием распространения таких электронов является наличие обратного тока [18-20], для чего требуется высокая электропроводность мишени. Такая ситуация реализуется в случае металлической мишени или при эффективной ее ионизации либо электронами, либо электростатическим полем (при пробое диэлектрика). Такой сценарий соответствует ускорению ионов на обратной стороне мишени.

Очевидно, что помимо этих двух противоположных сценариев может возникнуть промежуточная ситуация, когда плазма имеет немонотонное распределение плотности по толщине мишени. Например, в силу ряда причин, таких как существование лазерного предимпульса или ионизация мишени быстрыми электронами, а также наличие обратного тока медленных электронов и/или электрического пробоя, холодный изоля-

тор может превратиться в своего рода проводник. Физическая картина подобного превращения, развивающегося в объеме мишени, далека от завершенности. Отметим, что статья [21], где отмечена четырехкратная разница в глубине проникновения быстрых электронов для металлов и изоляторов, несколько проясняет эту ситуацию.

Целью данной статьи является обзор успехов, достигнутых за нескольких последних лет в Центре ультрабыстрых оптических исследований (CUOS) Мичиганского университета в исследованиях по генерации пучков мультимэвных ионов при воздействии сфокусированных коротких лазерных импульсов на мишени в виде тонких фольг при интенсивностях от 1017 до 1019 Вт/см2. В данной работе мы представляем наши экспериментальные результаты по генерации высоко-энергетичных протонов с помощью 10-тераватт-ного гибридного лазера (неодимовое стекло/титан : сапфир), действующего на основной частоте и частоте второй гармоники, а также результаты по возбуждению ядер с помощью протонов и дей-тонов. Основное внимание в представленном исследовани

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»