Содержание
0 Введение 4
0.1 Общая характеристика работы......................................... 4
0.2 Обзор литературы.................................................. 12
0.2.1 Сверхмощные лазерные системы ................................... 12
0.2.2 Ускорение электронов........................................ 15
0.2.3 Ускорение лёгких иоион...................................... 16
0.2.4 Генерация высоких гармоник.................................. 20
0.2.5 Бесстолкновительный нагрев.................................. 22
0.2.6 Самоиндуцированная прозрачность............................. 23
0.2.7 Точные решения.............................................. 24
1 Стационарные плазменно-полевые структуры в закритической плазме 25
1.1 Вывод основных уравнений......................................... 26
1.1.1 Постановка задачи........................................... 26
1.1.2 Вывод упрощённых уравнений.................................. 27
1.2 Стационарные структуры в приближении холодной плазмы............... 30
1.2.1 Вид уравнений и их фазовой плоскости ........................... 30
1.2.2 Алгоритм построения решения................................. 32
1.2.3 Однослойные плазменно-полевые структуры в приближении.холодной плазмы 34
1.2.4 Многослойные плазменно-полевые структуры..............в приближении.....холодной плазмы 39
1.3 Влияние теплового движения электронов на пространственное распределение плазменно-полевых структур...................................... 42
1.3.1 Случай неограниченной плазмы................................ 42
1.3.2 Случай слоя плазмы конечной толщины......................... 45
1.3.3 Однослойные плазменно-полевые структуры с учётом теплового
электронов................................................... 48
1.3.4 Многослойные стационарные структуры с учётом теплового движения электронов 51
1.3.5 Коэффициент отражения плазменного слоя с учётом теплового
движения электронов.......................................... 51
От
1
1.4 Основные результаты и выводы
52
2 Динамические режимы взаимодействия излучения с границей плазмы 54
2.1 Устойчивость стационарных решений и механизм релятивистской само-индуцированной прозрачности........................................ 55
2.2 Хаотический режим взаимодействия линейно поляризованного лазерного излучения с закритической плазмой.................................. 59
2.2.1 Постановка задачи............................................... 59
2.2.2 Общее описание эффекта.......................................... 60
2.2.3 Анализ механизмов хаотизации.................................... 61
2.2.4 Увеличение степени поглощения энергии........................... 65
2.2.5 Нарушение когерентности генерируемых высоких гармоник .... 67
2.2.6 Изменение порога самоиндуцированной прозрачности................ 68
2.3 Основные результаты и выводы........................................ 69
3 Приложение разработанных методов для анализа некоторых задач 71
3.1 Эффект релятивистски индуцированной прозрачности слоя плазмы и получение лазерных импульсов с предельно крутым передним фронтом . . 72
3.1.1 Описание эффекта................................................ 72
3.1.2 Анализ на основе стационарных решений .......................... 72
3.1.3 Одномерное моделирование ....................................... 75
3.1.4 Трёхмерное моделирование........................................ 76
3.2 Ускорение протонов и лёгких ионов до энергий порядка ГэВ в режиме пондеромоторного отжатия электронов................................ 77
3.2.1 Постановка задачи............................................... 77
3.2.2 Анализ на основе стационарных плазменно-полевых структур . . 78
3.2.3 Одномерное численное моделирование.............................. 86
3.2.4 Трёхмерное численное моделирование ............................. 87
3.3 Основные результаты и выводы........................................ 89
4 Заключение 91
5 Приложения 93
5.1 Численная схема решения системы уравнений Власова - Максвелла ... 93
2
5.1.1 Вывод основных уравнений....................................... 93
5.1.2 Моделирование уравнений Максвелла ............................. 95
5.1.3 Моделирование уравнения Власова................................ 97
6 Работы, содержащие основные материалы диссертации 102
7 Литература 105
3
О Введение
0.1 Общая характеристика работы
Бурное развитие лазерных технологий, связанное с открытием в 1985 году технологии усиления чирпированных импульсов |1|, привело к созданию лазерных систем, способных генерировать излучению мощностью выше 1 ПВт |2-4|. При этом качество получаемых пучков позволило фокусировать их в пятна диаметром порядка нескольких длин волн, что обеспечило получение интенсивности излучения на уровне 1022 Вт/см2 [5, 6|. Изучение механизмов взаимодействия столь интенсивного излучения с веществом является фундаментальной задачей, стоящей перед современной физикой, и широко исследуется как экспериментально, так и теоретически большим количеством научных групп [7, 8|.
Данная работа посвящена разработке новых теоретических методов исследования процесса взаимодействия столь сильного лазерного излучения с веществом, а также применению разработанных методов для анализа некоторых актуальных задач, к числу которых, в первую очередь, следует отнести генерацию пучков заряженных частиц |9, 10| (электронов [11, 12| и ионов), пучков нейтронов [13| и генерацию высоких гармоник [14, 15). Кроме того, и работе рассматриваются фундаментальные проблемы такие, как механизмы бесстолкиовителыюго нагрева плазмы до релятивистских температур и эффект релятивистской еамоиндуцированной прозрачности плазмы. Полученные в работе результаты представляют интерес как с практической, так и с фундаментальной точек зрения.
Актуальность работы Проблеме взаимодействия сверхсильного лазерного излучения с веществом посвящено большое количество научных работ, число которых с каждым годом только увеличинастся |7|. Повышенный интерес к связанным с этой проблемой задачам объясняется, по-первых, развитием старых и появлением новых технических средств для экспериментального исследования процессов взаимодействия, а во-вторых, наличием большого количества практически важных приложений, связанных с этими задачами.
Среди приложений задачи взаимодействия сверхсильного лазерного излучения с веществом можно выделить следующие: разработка компактных ускорителей электронов [9, 11, 12| дня предварительного ускорения электронных пучков с целыо их ис-
4
пользования в обычных ускорителях или в качестве драйвера к лазерах на свободных электронах; разработка компактных ускорителей прогонов и других лёгких ионов [9] для целей адропотерапии раковых опухолей [16|, протонографии, а также, возможно, для создании компактных коллайдеров; создание новых источников рентгеновского и гамма-дианазонов (14. 15| для целей диагностики процессов в плотной лабораторной плазме; получение аттосекуидиых импульсов для диагностики быстрых процессов, происходящих в атомах и ядрах |17); лазерный инерционный термоядерный синтез [18, 19| и связанная с ним проблема «быстрого поджига» мишени лазерным импульсом [20, 21), в том числе посредством первоначального ускорения лёгких ионов, которые уже впоследствии нагревают мишень [22|.
В данной работе рассматривается, в частности, проблема получения моноэнергети-ческих пучков ускоренных легких ионов. Это направление широко обсуждается и в последнее время предложено несколько схем получения таких пучков. Часть этих схем была реализована в эксперименте. Особый интерес ускорение ионов вызывает в связи с тем, что получение компактного источника ионных пучков чрезвычайно важно для проблемы адропотерапии раковых опухолей [16], которая на данный момент проводится только в специально оборудованных центрах, расположенных вблизи больших и дорогостоящих ускорителей. Кроме того, протонные пучки могут быть использованы в инерционном термоядерном синтезе для нагрева мишени после её сжатия |23, 24|. Важным также является возможность использования таких пучков для задачи диагностирования плотной плазмы п металлов.
Широко обсуждаются также фундаментальные вопросы взаимодействия сверхсиль-иого лазерного излучения с плазмой. К таким вопросам следует отнести вопрос механизмов бесстолкиовительного нагрева плазмы и обсуждение эффекта релятивистской самойидуцированной прозрачности плазмы. Оба эти вопроса также затрагиваются в данной диссертации.
Цель работы Целями данной диссертационной работы являются:
1. Разработка аналитических методов построения квазистационарных структур, возникающих при взаимодействии релятивистски интенсивного лазерного излучения с закритической плазмой.
2. Исследование некоторых динамических режимов взаимодействия сверхсильиого
5
лазерного излучения с границей закритической плазмы.
3. Обсуждение фундаментальных вопросов взаимодействия релятивистски интенсивного лазерного излучения с веществом, в том числе механизмов бесстолно-вителыюго нагрева плазмы и явления релятивистской самоиндуцированной прозрачности.
4. Применение разработанных аналитических методов для анализа ряда задач, имеющих важное прикладное значение.
о. Пронерка полученных аналитическими методами результатов в численных расчётах.
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Общий объём работы --122 страницы, включая 31 рисунок. Список цитируемой литературы состоит из 163 наименований.
В первой главе развиваются аналитические методы построения стационарных решений, возникающих при взаимодействии релятивистски интенсивного циркулярно поляризованного лазерного излучения с закритической плазмой в одномерной геометрии. На основе уравнений Максвелла и релятивистских гидродинамических уравнений для электронной компоненты в пренебрежении движением ионов выводится система уравнений, описывающая систему в сделанных приближениях.
Далее рассматривается случай холодной плазмы, когда температурой электронов полностью нрснебрегается но сравнению с их осцилляторной энергией. Показывается. что в данном случае возможно существование стационарных решений, носящих кусочно-непрерывный характер. Проводится анализ полученных решений. Показывается, что при некоторых соотношениях параметров существование стационарных решений невозможно и взаимодействие носит принципиально динамический характер. Кроме того, показывается, что решения могут носить гистерезисный характер.
Далее в главе вводится эффективная температура электронов и показывается, что она является малым параметром при высшей производной, что и приводило к разрывности решений в случае холодной плазмы. Далее развивается метод построения стационарных решений в бесконечном слое и слое конечной толщины с учётом теплового движения электронов. Исследуются свойства получаемых решений и проводится
6
их сравнение, со случаем холодной плазмы. Показывается качественное совпадение полученных результатов между собой.
Во второй главе проводится исследование динамических режимов взаимодействия релятивистски интенсивного лазерного излучения с границей закритической плазмы. В частности, рассматривается вопрос устойчивости полученных в первой главе стационарных решений и показывается, что эти структуры устойчивы для всех интенсивностей излучения, для которых они существуют. Далее исследуется поведение системы в интервале интенсивностей, для которых однослойных стационарных решений не существует. Показывается, что этот интервал отвечает режиму релятивистской самой пдуцированной прозрачности плазмы. Исследуется механизм наступления режима самоиндуцированной прозрачности и показывается, что его причиной является потеря стационарности граничными электронами.
Далее в главе исследуется взаимодействие линейно поляризованного излучения с резкой границей закритической плазмы. На основе одномерного численного моделирования системы уравнений Максвелла - Власова показывается, что при превышении амплитудой лазерного импульса некоторого порогового значения колебания плазменной границы в иоле волны теряют свою регулярность и хаотнзируется за счёт наступления нелинейного резонанса между силой пондеромоторного давления лазерного излучения и собственной частотой колебаний плазмы, которая меняется в силу эффективного ло-реицсвского увеличения массы электронов.
В данной главе демонстрируется, что хаотизация колебаний плазменной границы имеет ряд важных последствий, среди которых: увеличение степени поглощения лазерной энергии в слое, потеря генерируемыми на границе высокими гармониками когерентности, изменение порога релятивистской самойпдуцируемой прозрачности но сравнению со случаем циркулярно поляризованного импульса.
Также в главе проводится подробный анализ механизмов хаотизацни колебаний. Показывается, что их причиной является нарушение квазистационарности процесса колебаний границы в ноле волны, вызванная асимметрией случаев движения границы вглубь плазмы и навстречу волне. В результате в процессе колебаний возбуждаются плазменные колебания в толще мишени. Эти колебания имеют отличную от вынужденных колебаний границы фазу, в результате чего происходит пересечение траекторий электронов, участвующих в различных колебаниях. Этот процесс приводит, во-первых, к нагреву плазмы, а во-вторых, к тому, что при некоторой амплитуде наблюдается
7
переход электроион из области собственных колебаний в область вынужденных, сопровождающийся хаотизациеЙ последних.
В третьей главе разработанные в первой главе аналитические методы применяются для анализа практически важных задач, включающих в себя анализ обнаруженного в нашей группе эффекта релятивистски индуцированной прозрачности слоя, позволяющего получать лазерные импульсы с предельно короткими передними фронтами, и задачу лазерного ускорения протонов и лёгких ионов до сотен МэВ.
В первой половине главы обсуждается возможность получения лазерных импульсов с предельно короткими передними фронтами путём использования эффекта релятивистски индуцированной прозрачности слоя, заключающегося в резком уменьшении коэффициента отражения тонкого слоя плазмы твердотельной плотности при превышении интенсивностью излучения некоторого порога. Проводится анализ этого эффекта, определяется пороговая амплитуда поля, при которой наступает эффект, даётся физическое объяснение эффекта. Проделанный анализ подтверждается одномерным и трёхмерным численным моделированием.
Во второй половине главы предлагается новая схема получения кназимоноэнергсти-ческих пучков протонов и лёгких попов, носящая название ускорение поидеромогорно отжатыми электронами. Её особенностью является расположение ускоряемых ионов на облучаемой границе мишени. На основе разработанных ранее методов построения стационарных решений проводится подробный анализ предлагаемой схемы и показывается, что при имеющихся в распоряжении экспериментаторов интенсивностях излучения возможно получение протонов с энергиями на уровне сотен МэВ. При этом показывается, что для достижения максимально эффективного процесса ускорения необходимо использование мишеней с шютпостмо ниже твердотельной, что может быть достигнуто, например, путём использования нанопористых материалов. Кроме того, требуется подбор длительности лазерного импульса для того, чтобы протоны не были ускорены раньше, чем будет достигнута максимальная амплитуда импульса. Аналитические выкладки и рассуждения подтверждаются одномерным и трёхмерным численным моделированием.
Научная новизна Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Развиты новые аналитические методы построения одномерных плазменно-нолевых стационарных структур, возникающих при взаимодействии релятивистски интен-
си иного циркулярно поляризованного лазерного излучения с плоским слоем за-критической плазмы, движением ионов в котором пренебрегается.
2. Предложен новый сценарий возникновения релятивистской самоиндуцированной прозрачности плазмы в поле циркулярно поляризованной волны, заключающийся в потере граничными электронами плазмы своей устойчивости при достижении пороговой амплитуды поля.
3. Обнаружен неизвестный ранее хаотический режим взаимодействия линейно поляризованного релятивистски интенсивного лазерного импульса с резкой границей закритнческой плазмы. Показано, что хаотизация колебаний границы плазмы приводит к увеличению степени поглощаемой слоем лазерной энергии, к качественному изменению спектра высоких гармоник, генерируемых на границе, и к изменению порога релятивистской самоиндуцированной прозрачности по сравнению со случаем циркулярно поляризованного импульса.
4. На основе детального анализа динамики граничных электронов в поле релятивистски интенсивного лазерного импульса предложен новый механизм нагрева плазмы, приводящий при достижении пороговой амплитуды также и к хаотиза-ции колебаний плазменной границы.
5. Предложен новый метод получения лазерных импульсов с предельно малым временем нарастания интенсивности на переднем фронте, основанный на эффекте, получившем название релятивистски индуцированной прозрачности слоя и заключающемся в резком падении коэффициента отражения слоя закритнческой плазмы при достижении интенсивностью падающего на слой лазерного импульса порогового значения.
6. Предложена новая схема ускорения протонов и лёгких ионов при взаимодействии релятивистски интенсивного лазерного излучения с твердотельными мишенями. Предложенный метод позволяет при доступных на данный момент интенсивностях излучения получить мопоэнергетические коллимированные ионные пучки с энергиями на уровне сотен МэВ.
Практическая ценность В работе разработаны новые аналитические методы, которые могут быть использованы при решении актуальных задач взаимодействия рсляти-
- Київ+380960830922