ИСТИНА

Целью настоящего проекта является изучение формирования коллимированных электронных пучков с высоким зарядом и энергией при взаимодействии релятивистского фемтосекундного лазерного излучения с плазмой с контролируемыми электронной концентрацией и пространственным профилем для последующего создания источника мягкого рентгеновского излучения, основанного на рассеянии интенсивного лазерного излучения на получаемых пучках электронов.

The proposed project aims to study electron acceleration in the nonlinear high-intensity (over 10 ^ 18 W / cm ^ 2) interaction of a femtosecond laser pulse with a power of 1 TW with a spatially inhomogeneous plasma formed using a new type of hybrid targets, as well as studying the possibility of generating soft X-ray radiation at inverse Compton scattering of an electron bunch on an optical pulse with a high power density. Interest in such sources increased due to the discovery of new effects of particle acceleration in the laser plasma, which made it possible to significantly increase the characteristics of fast beams used to generate x-ray radiation. The compact design of such systems gives an indisputable advantage over traditional sources (synchrotrons, free electron lasers) in terms of their cost and availability for a wide range of users. Over the past few years, scientific research on the topic of laser particle acceleration has led to the discovery of mechanisms for accelerating electrons to energies of units and tens of MeV already at relatively “modest” by modern standards laser system powers of up to several terawatts. And this is largely due to the optimization of the laser-plasma interaction process. Therefore, the main idea of ​​this project is to search and create an optimal configuration of a new type of plasma target for irradiation with a femtosecond laser pulse with a power of about 1 TW and an intensity of 10 ^ 18-10 ^ 19 W / cm ^ 2 in order to obtain maximum energies and current of the electron bunch with its minimum divergences. To this end, it is planned to investigate the possibilities of hybrid targets within the framework of the grant, combining the advantages of solid-state and gas targets. According to preliminary calculations, it is expected that the electron beam generated by the laser pulse in the region of a dense plasma will then be further accelerated by the laser field in an extended cloud of subcritical density transparent to the optical pulse. This will significantly increase the particle energy (up to 10 MeV), the beam charge (up to a hundred pC) and reduce its divergence (up to 0.1 rad). The latter properties play a key role in the problem of generating soft X-ray radiation in the range of 0.1–1 keV based on inverse Compton scattering. A solution to this problem is proposed for the first time using terawatt level laser systems and is important for the availability of applied research using ultrashort x-ray pulses. To implement the project, the electron beam obtained in a hybrid target will collide with an additional powerful femtosecond laser pulse focused to an intensity of about 10 ^ 18 W / cm ^ 2 towards the charged particle beam. Our estimates show that the flux of soft X-ray radiation in the range of 0.1-1 keV can reach 10 ^ 6 per shot, which can compete with other types of laser-driven sources, taking into account the relatively small divergence of the X-ray beam. Based on measurements of the parameters of the X-ray source, its applicability in various applied and fundamental problems will be given, the geometry and calculations of future experiments will be calculated and justified, etc.

- Разработка методики генерации коллимированного электронного пучка с энергиями до 10 МэВ на основе взаимодействия лазерного излучения релятивистской интенсивности с пленочными мишенями при её ионизации искусственным предымпульсом от дополнительной лазерной системы. Методика генерации пучка подразумевает изучение механизма его генерации в плазме. Понимание физических процессов, протекающих в плазме, имеет важное значение для последующей экстраполяции наработанных данных на другие лазерные системы, большей мощности. - Численное обоснование гибридной мишени плёнка+газовая среда для формирования плазменного профиля с управляемым профилем электронной концентрации.. Построив численную модель взаимодействия лазерного излучения с плазмой гибридной мишени можно провести поиск оптимальных параметров лазерного импульса и начального профиля плазмы, а также установить механизмы ускорения электронов. Это позволит сделать оценки оптимальных параметров взаимодействия за пределами диапазона интенсивностей имеющейся лазерной системы. - Экспериментальная разработка оптимальной комбинации гибридной мишени, обеспечивающей значительный прирост энергии электронов в пучке при доускорении в подкритической области. Созданная мишень сможет стать источником электронного пучка для различных прикладных задач, помимо генерации мягкого рентгеновского излучения пучок может использоваться в различных задачах ядерной физики. - Получение данных теневой и интерферометрической диагностики в разных диапазонах сканирующих длин волн для оценки электронной концентрации в плазме и измерения её профиля. Проведение таких измерений необходимо для корректного построения численной модели ускорения электронов. Кроме того, результаты таких измерений важны для понимания гидродинамического разлета плазмы. - Создание схемы, позволяющей проводить эксперименты по обратному комптоновскому рассеянию фокусированного лазерного излучения на электронном пучке, а также создание системы регистрации генерирующегося при таком рассеянии рентгеновского излучения. В результате будут разработанные уникальные для лазерных систем тераваттного класса методики сведения электронного пучка с лазерным, а также методики регистрации мягкого рентгеновского излучения в присутствии мощного лазерного излучения и тормозного фона.

Лазерная лаборатория в МГУ имеет большой опыт в проведении экспериментов по релятивистки-интенсивному лазерно-плазменному взаимодействию.