Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ БЫСТРЫХ ЧАСТИЦ И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МИШЕНЯМИ 11
1.1 Механизмы генерации горячих электронов в плазме 13
1.1.1 Резонансное поглощение 13
1.1.2 Вакуумный нагрев 17
1.1.3 механизм 20
1.2 Генерация рентгеновского излучения 21
1.2.1 Непрерывное тормозное рентгеновское излучение 21
1.2.2 Характеристическое рентгеновское излучение 23
1.3 Механизмы ускорения ионов 25
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЫСТРЫХ ИОНОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МИШЕНЯМИ 28
2.1 Лазерная установка СОКОЛ-П 30
2.1.1 Пикосекундный стартовый комплекс 31
2.1.2 Усилительный тракт 32
2.1.3 Временной компрессор 33
2.1.4 Фокусировка лазерного излучения на мишень 33
2.1.5 Параметры установки СОКОЛ-П 35
2.2 Времяпролстный спектрометр быстрых ионов 36
2.2.1 Времяпролетный метод измерения 36
2
2.2.2 Принципиальная схема время пролетного спектрометра 38
2.2.3 Детекгоры 39
2.2.4 Калибровка детекторов 40
2.2.5 Метод фильтров для идентификации ионов 44
2.2.6 Восстановление спектральных распределений 47
2.3 Характеристики быстрых дейтронов и протонов, ускоренных с фронтальной стороны мишени 50
2.3.1 Спектры быстрых дейтронов 5О
2.3.2 Спектрально-угловое распределение быстрых дейтронов 55
2.3.3 Спектральное распределение быстрых протонов 61
2.4 Ускорение протонов с обратной стороны мишени 67
2.4.1 Исследование процессов генерации быстрых протонов 69:
2.4.2 Угловое распределение быстрых протонов 75
2.4.3 Спектры и ориентационная зависимость быстрых протонов 77
2.4.4 Ускорение протонов из ультратонких фольг 80
2.5 Основные результаты главы 2 86
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЛАЗМЕ, ГЕНЕРИРУЕМОГО ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МИШЕНЯМИ ПРИ ИНТЕНСИВНОСТИ 1017-1018 ВТ/СМ2 89
3.1 Фемтосекундная лазерная установка 91
3.1.1 Задающий фемтосекундный генератор 93
3.1.2 Временной расширитель и регенеративный усилитель 94
3.1.3 Многопроходный усилитель 95
3.1.4 Временной компрессор 96
3.1.5 Контраст лазерной системы 98
3
3.2 Мишенная камера, система фокусировки и наведения лазерного излучения на мишень 99
3.3 Методики рентгеновской диагностики лазерной плазмы 102
3.3.1 Детектор жесткого ренті■сновского излучения 102
3.3.2 Кристаллический спектрометр рентгеновского излучения 107
3.4 Генерация жесткого рентгеновского излучения при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями 113
3.5 Экспериментальное исследование характеристического рентгеновского излучения при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на наноструктурированные мишени 122
3.6 Основные результаты главы 3 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
4
Введение
Актуальность исследований
Высокотемпературная плазма, возникающая при облучении твердотельных мишеней ультракороткими (т —10-1000 фс) высокоинтенсивными (I ~1017-1021 Вт/см2) лазерными импульсами, является уникальным объектом исследования в области физики высоких плотностей энергий и физики плазмы. Это напрямую связано со значительным прогрессом в создании лазерных систем с пиковой мощностью > 10-100 ТВт [1-9]. Использование лазеров такой мощности открывает новые возможности в изучении фундаментальных свойств веществ при сверхвысоких давлениях и температурах, в продолжение исследований по лазерному управляемому термоядерному синтезу, в задачах по исследованию рентгеновского и кор-, пускулярного излучения лазерной плазмы с целью создания лазерно-плазменных источников излучения и компактных ускорителей частиц для прикладных задач* [10-12].
При интенсивности лазерного излучения 10,7-1019 Вт/см2 в лазерной плазме эффективно образуются потоки быстрых электронов, которые распространяясь в*-веществе мишени приводят к генерации рентгеновского излучения, формированию ускоренных ионов, инициированию различных ядерных реакций [12, 13].
Несмотря на то, что рентгеновское излучение, генерируемое в лазерноплазменных взаимодействиях, считается достаточно хорошо изученным явлением, в случае релятивистских интенсивностей (/> 1018 Вт/см2) и в диапазоне энергий квантов 0.1-10 МэВ, до сих пор не существует единого понимания о влиянии параметров лазерного излучения и плазмы на данные процессы. Это указывает на то, что проведение экспериментальных исследований в этой области остается актуальным и в настоящее время. В данном направлении исследований актуальным вопросом является также создание источника харакгеристического рентгеновского излучения с высокой спектральной яркостью, имеющего малый размер и короткую длительность, для задач, решаемых в физике твердого тела, химии, биологии, диагностике плотной плазмы, в физике быстропротекающих процессов. В этой области
5
исследования сосредоточены на поиске новых типов мишеней для увеличения эффективности выхода характеристического рентгеновского излучения и оптимизации параметров лазерного импульса. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, данная задача может быть решена с помощью новых нано-структурированных мишеней, облучаемых высококонтрастными лазерными импульсами [14-17].
Другой важной темой лазерно-плазменного взаимодействия и радиационных процессов, протекающих в лазерной плазме, является генерация быстрых ионов. Данный процесс обусловлен ускорением ионов в лазерной плазме за счет коллективных эффектов быстрых электронов под действием высокоинтенсивного лазерного излучения. Экспериментальные исследования в этом направлении имеют большое фундаментальное и прикладное значение в целом ряде областей современной науки и техники, например, в концепции «быстрого зажигания» предварительно сжатых термоядерных мишеней и лазерного инициирования ядерных реакций, создании компактных источников нейтронов и ионов, создании станций по производству короткоживущих радиоактивных изотопов ДЛЯ: позитронно-эмиссионной томографии, адронной терапии онкологических заболеваний.
При интенсивностях лазерного излучения на поверхности мишени >1018 Вт/см2 происходит эффективное ускорение пучков легких ионов в вакуум как с фронтальной поверхности мишени, так и с обратной стороны мишени, не подверженной воздействию лазерного излучения, в МэВ-ном диапазоне энергий [11-13]. Перспективность использования таких пучков в конкретных прикладных задачах указывает на необходимость знать и управлять харакгеристиками ускоренных частиц, такими как, энергетический спектр, угловое распределение, количеством частиц в пучке. Важным аспскгом в таких исследованиях является и то, как на эти характеристики влияют параметры лазерного излучения и тип мишени, а комплексное изучение спектральных и угловых характеристик быстрых ионов способствует развитию фундаментальных основ ускорения ионов в лазерной плазме. В настоящее время малоизученным и недостаточно исследованным остается режим ускорения легких заряженных частиц при высоком контрасте лазерного импульса > Ю10, в котором становится возможным использование в качестве мишеней ультратонких
6
пленок, толщина которых много меньше, чем длина волны лазерного излучения. Ожидается что, использование ультратонких лазерных мишеней позволит значительно увеличить количество и максимальную энергию ускоренных ионов [18].
Таким образом, проведение экспериментальных исследований, включающие в себя поисковые работы по выбору оптимальной мишени с целью увеличения эффективности передачи лазерной энергии в энергию быстрых частиц и получения пучков ионов с заданными параметрами, является актуальной и современной задачей. Сюда же можно отнести и наработку экспериментальных данных, получение практических рекомендаций по оптимизации условий экспериментов и управлению параметрами ускоренных пучков в перспективах их применения в конкретных приложениях и в фундаментальных научных исследованиях.
С другой стороны, одной из важных задач в изучении энергетических распределений быстрых заряженных частиц, образующихся при взаимодействии высокоинтенсивных ультракоротких лазерных импульсов с веществом, является разработка, усовершенствование и развитие новых диагностических методик корпускулярного излучения лазерной плазмы, которые имеют большую практическую значимость в диагностике высокотемпературной лазерной плазмы.
Цели и задачи диссертационной работы
Цель работы: создание высокоэффективных лазерно-плазменных источников корпускулярного и рентгеновского излучения.
Задачи работы:
1. разработка и создание диагностических методик для исследований спектрально-угловых характеристик ускоренных ионов и жесткого рентгеновского излучения, генерируемых в лазерно-плазменных экспериментах.
2. экспериментальное исследование спектрально-угловых характеристик ускоренных дейтронов и протонов при взаимодействии интенсивных (10!8-10і9 Вт/см2) лазерных импульсов пикосекундной длительности с различными типами твердотельных мишеней.
7
3. экспериментальное исследование эффективности генерации жесткого рентгеновского излучения в зависимости от параметров фемтосекундных лазерных импульсов и типа твердотельных мишеней.
Научная новизна работы
1. Впервые экспериментально измерены, спектрально-угловые характеристики быстрых дейтронов, ускоренных навстречу лазерному пучку из твердотельных мишеней, содержащих дейтерий и тритий, при интенсивностях ликосекундного да-
1 о л
зерного импульса -10 Вт/см . Экспериментально показано, что основной вклад в нейтронный выход для (С02)п - мишеней обусловлен дейтронами с энергиями в диапазоне 0.7-2 МэВ.
2. Экспериментально обнаружено, что при облучении мишеней, состоящих из водородосодержащего основания с точечной областью из металла, пикосекундны-ми лазерными импульсами с интенсивностью 1018—1019 Вт/см2 наблюдается значительное увеличение выхода прогонов.
3. Экспериментально обнаружен эффект, показывающий, что при взаимодействии /^-поляризованного фемтосекундного лазерного импульса с массивной метал-
18 7
лической мишенью при интенсивности порядка. 10 Вт/см выход жесткого рентгеновского излучения зависит от наличия наносекундного предымпульса только при малых углах наблюдения относительно поверхности мишени.
4. Впервые проведены исследования квантового выхода характеристического рентгеновского А^-излучсния из наноструктурироваиных мишеней нового типа. Показано, что при интенсивности /7-поляризоваиного фемтосекундного лазерного излучения на поверхности мишени -1017 Вт/см2, выход рентгеновского излучения из мишеней с модифицированной поверхностью превышает в 1.7 раза аналогичное значение для мишеней, изготовленных из полированной медной фольги.
Практическая значимость
Полученные в работе экспериментальные данные по оптимизации параметров корпускулярного и рентгеновского излучения лазерной плазмы дополняют и расширяют научное представление о данной проблеме, и могут использоваться при
I
I
8
создании различных моделирующих установок, эффективных импульсно-периодических источников нейтронов, ионов и рентгеновского излучения с заданными параметрами в научно-практических целях. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для уточнения и развития теоретических моделей генерации ускоренных ионов, нейтронов и рентгеновского излучения в лазерно-плазменных взаимодействиях, адекватных реальным экспериментальным условиям.
Апробация результатов работы
Основные результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, научных семинарах конференциях: XXVIII European Conference on Laser Interaction with Matter (XXVIII ECLIM, г. Рим, 6-10 сентября 2004 г.), XI Всероссийская конференция «Диагностика высокотемпературной плазмы» (ДВП-11, г. Троицк, Московской обл., 13-18 июня 2005 г.), международная конференция «VIII Забабахинские научные чтения» (ЗЫЧ-2005, г. Снежинск, Челябинской обл., 5-10 сентября 2005 г.), XXIX European Conference on-Laser Interaction with Matter (XXIX ECLIM, г. Мадрид, 11-16 июня, 2006 г.), международная конференция «IX Забабахинские научные чтения» (ЗНЧ-2007, г. Сне--жинск, Челябинской обл., 10-14 сентября, 2007 г.), международная конференция «Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергии» - X Хари-тоновские тематические научные чтения (г. Сэров, Нижегородской обл., 11-14 марта 2008 года в), 6-й Российский симпозиум «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах» (г. Новый Афон, Абхазия, 23 июля - 1 августа 2008 г.), XXX European Conference on Laser Interaction with Matter (XXX ECLIM, Дармштадт, Германия, 31 августа - 5 сентября, 2008 г.), XXV International Conference on Equations of State for Matter (EOS-2010, п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия, 1-6 марта, 2010 г.), 3rd EMMI Workshop on Plasma Physics with Intense Laser and Heavy Ion Beams (г. Москва, 20-21 мая, 2010 г.), юбилейная научная конференция, посвященная 50-летию создания Учреждения Российской академии наук Объединенного института высоких температур PAII (г. Москва, 21 октября 2010 г.).
9
> По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи в реферируемых
научных изданиях, входящих в перечень, рекомендуемых ВАК, и 11 работ в сборниках трудов конференций.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялась разработка и выбор диагностических методик, постановка и проведение экспериментов, проведение измерений и обработка экспериментальных данных, анализ результатов исследований и их интерпретация.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения. Работа-содержит 155 страниц, включая 71 рисунка, 10 таблиц и список цитируемой литературы по всем главам из 228 ссылок, включая пересекающиеся.
Положения, выносимые на защиту
1) При - взаимодействии-пикосскундных лазерных импульсов с интенсивностью
• Л *1
~10 Вт/см и наносекундным контрастом ~10 с твердотельными (С02)п - мишенями основной вклад в нейтронный выход обусловлен дейтронами с энергиями в диапазоне 0.7-2 МэВ.
2) Квантовый выход характеристического рентгеновского излучения, возникающего при воздействии высококонтрастиых р-поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с интенсивностью 1017 Вт/см2 на медные мишени, поверхность которых состоит из упорядоченных наноструктур, превышает в 1.7 раза аналогичное значение для мишеней, изготовленных из полированной медной фольги.
3) При воздействии пикосекундных лазерных импульсов с интенсивностью ~1019 Вт/см2 выход протонов, ускоренных с тыльной поверхности твердотельной мишени, значительно возрастает с уменьшением интенсивности наносекундного прсдымпульса до ~108 Вт/см2 и толщины мишени, и не зависит от материала мишени.
#
I
10
ГЛАВА 1. Механизмы генерации быстрых частиц и
РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МИШЕНЯМИ
Начиная;с первой практической реализации лазера [1], физические аспекты взаимодействия лазерного излучения с веществом непрерывно изучаются на протяжении нескольких десятилетий; интерес к таким исследованиям сохраняется и в настоящее время. Развитие лазерных технологий стимулировало разработку новых физических моделей взаимодействия лазерного излучения с веществом, постановку новых задач, и* открытие новых возможностей1 применения лазеров в научно-практических целях. Если в начале становления лазерной техники.длитсльность лазерных импульсов*; находилась в наносекундном диапазоне, а плотность потока
IП О
энергии составляла порядка 10 Вт/см , то в настоящее время развиты методы генерации и усиления лазерных импульсов ультракороткой длительности (г < 1 пс) мультитераватгного уровня мощности. Новые поколения мощных пикосскундных и фемтосекундных лазерных установок успешно применяются в различных областях науки и техники. .
Одним из объектов;исследования в физики взаимодействия* мощных лазерных импульсов с веществом является лазерная плазма. По своим характеристикам лазерная плазма обладает уникальными свойствами и не имеет аналогов среди прочих видов плазм, получаемых в лабораторных условиях. Высокотемпературная лазерная плазма является источником быстрых электронов,, ионов, нейтронов, источником импульсного рентгеновского и элекгромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн.
При облучении твердотельных мишеней ультракороткими лазерными импульсами с интенсивностью порядка 1017-1019 Вт/см2 напряженность электрического поля электромагнитной волны, действующего на атомы мишени, значительно превышает внутриатомное электрическое поле Еа ~109 В/см. 13 этих условиях уже на переднем фронте падающего лазерного импульса, или за счет лазерных предым-пульсов с достаточной интенсивностью, происходит ионизация атомов мишени за
11
счет подавления кулоновского барьера [2] (надбарьерная ионизация, когда внешнее поле, приложенное к атому, попросту вырывает электрон). При этом энергия периодических колебаний (осцилляций) свободных электронов в поле лазерной волны превышает их тепловую энергию и может достигать энергии покоя.
Другими словами, при взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения с материалом мишени, передний фронт падающего лазерного импульса, либо предшествующий ему импульс во временном профиле (предымпульс), обладает интенсивностью, необходимой для того, чтобы преобразовать исходное вещество (практически мгновенно, за время порядка 10*17 с) в плазменное состояние. Далее вступает в роль лазерно-плазменное взаимодействие, когда основная часть лазерного импульса взаимодействует уже с высокоионизированной и нагретой плазмой (предплазмой) твердотельной плотности с концентрацией электронов пс ~ 1024см'3.
Высокотемпературная лазерная плазма из-за коллективных эффектов свободных электронов, освобожденных при ионизации атомов мишени, может поддерживать электрические поля напряженностью ~1012 В/м. При интенсивностях лазерного излучения /> 1016 Вт/см2 за время действия лазерного импульса свободные электроны плазмы приобретают энергию в основном за счет нелинейных бссстолк-новительных процессов непосредственно- от лазерной волны, накачки. Кинетическая энергия электронов, ускоренных в лазерно-плазменных взаимодействиях, может достигать нескольких сотен МэВ [3-9], а коэффициент конверсии энергии лазерного импульса в энергию быстрых электронов составляет десятки процентов [10]. Далее в процессе взаимодействия происходит генерация импульса рентгеновского излучения, ускорение ионов, инициирование ядерных реакций, генерация высокочастотного электромагнитного излучения. Совокупность этих разных физических явлений, возникающих в пико- и фемтосекундной лазерной плазме, является результатом движения ускоренных электронов в плазме и материале мишени [И].
Данная глава настоящей диссертации посвящена физическим аспекгам лазерно-плазменного ускорения быстрых заряженных частиц и генерации рентгеновского излучения при воздействии мощных лазерных импульсов ультракороткой длительности с твердотельными мишенями. В главе последовательно рассмотрены
основные механизмы поглощения лазерного излучения в плазме и генерации быстрых электронов, принципы лазерно-плазменного ускорения ионов, процессы, отвечающие за генерацию рентгеновского излучения.
1.1 Механизмы генерации горячих электронов в плазме
Поглощение лазерной энергии и генерация горячих (надтепловых) электронов в плазме, образованной при облучении твердотельных мишеней лазерными импульсами в области длин волн X < 1 мкм и интенсивностью в диапазоне 1017-1019
л _
Вт/см , регулируется в основном бесстолкновительными механизмами поглощения лазерного излучения [12, 13]. Это связано с тем, что с увеличением лазерной интенсивности электронная-температура Те значительно возрастает, а частота эффективных столкновений' электронов1 с ионами и нейтральными частицами плазмы значительно снижается обратно пропорционально температуре электронов. Например, при скорости электронов около 0.2с (с - скорость света) частота столкновений электронов с ионами уе., составит порядка 10'13 с'1, то есть за время действия, например, лазерного импульса длительностью 100 фс электрон с такой скоростью будет приобретать энергию без столкновений [13]. Это показывает, что столкнови-тельное поглощение лазерного излучения (так называемое обратнотормозное поглощение за счет свободных электронов сталкивающихся с ионами) становится неэффективным в указанном выше диапазоне интенсивностей лазерного излучения.
В настоящее время предложено несколько механизмов генерации горячих электронов в плазме. Наиболее значимыми и обсуждаемыми механизмами являются аномальный скин-эффект [12], резонансное поглощение [14], вакуумный нагрев [15], и, так называемый }*В механизм [16]. Рассмотрим некоторые из этих механизмов.
1.1.1 Резонансное поглощение
Резонансное поглощение становится значимым для низкоконтрастных ла-
О 1 ^ 7 7
зерных импульсов при наклонном падении и значении IX > 10 Вт/см мкм , когда до прихода основного греющего лазерного импульса вблизи поверхности мишени
13
- Київ+380960830922