ИСТИНА

Данный проект направлен на детальные экспериментальные и численные исследования взаимодействия релятивистски-интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с объёмно-ограниченными микроразмерными мишенями - тонкими плёнками и микрокапламя. Ключевой задачей проекта является решение проблемы эффективного ускорения заряженных частиц из мишени с целью получения коллимированных пучков электронов с энергией до нескольких десятков МэВ уже при мощности лазерного излучения на уровне 1 ТВт. Вкупе с применением мишеней, способных к быстрому обновлению поверхности в области перетяжки (промотка плёнки или попадание в каустику новой микрокапли), это представляет высокий интерес для последующего масштабирования лазерно-плазменного источника на частоты повторения до 1 кГц с использованием компактных и доступных лазерных систем нового поколения. Получаемые таким образом пучки заряженных частиц с высокой средней мощностью открывают доступ к лабораторным исследованиям широкому кругу специалистов по целому ряду направлений (ядерная физика и фотоника, рентгенография, гамма-источники). Проблема оптимизации лазерно-плазменного взаимодействия будет решаться на базе нового, разработанного нами подхода, основанного на образовании плазмы на поверхности плёночной мишени с заданным профилем электронной концентрации под действием искусственных предымпульсов наносекундной длительности. Воздействие мощного фемтосекундного лазерного импульса на плазму с контролируемыми параметрами позволяет повысить эффективность преобразования энергии в пучок быстрых электронов за счет сложного механизма нагрева частиц в плазме, связанного с образованием волн параметрической неустойчивости и ускорения в плазменном канале докритической плотности. Расчёты показывают, что энергия пучка и его заряд могут быть ещё в несколько раз увеличены при оптимизации плазменного слоя. При этом ключевой особенностью применения микрокапельной мишни будет динамическая формовка капли с образованием тонкостенной структуры (тонкого блинчика или сферы), на которую будет перенесён подход плёночной мишени эффективной генерации электронного пучка. К несомненным преимуществам микрокапельной мишени следует отнести ограниченный размер капли (диаметр до 50 мкм), что при облучении мощными импульсами существенно сокращает объём аблируемого вещества и упрощает использование источника на высоких частотах повторения лазерным импульсов с точки зрения загрязнения оптики и конструкции мишенного узла. В рамках проекта будет подробно исследована динамика разлёта капли после воздействия на неё возбуждающего импульса, процесс плазмообразования в зависимости от типа используемой жидкости (вода, масло, глицерин и др.), будут изучены особенности работы с микрокапельной мишенью с точки зрения её долговременной стабильности и масштабируемости на высокие частоты повторения импульсов. Успешная реализация идей и механизмов генерации быстрых частиц на микрокапельной мишени, апробированных ранее на микроплёнке, позволит значительно продвинуться с точки зрения создания лазерно-плазменного источника нового типа, способного работать на высокой частоте повторения импульсов.

The goal of this project is in the detailed experimental and numerical study of the interaction of relativistically intense femtosecond laser radiation with volume-limited micro-sized targets - thin films and micro-flame. The key task of the project is to solve the problem of efficient acceleration of charged particles from a target in order to obtain collimated electron bunches with energies up to several tens of MeV already at a laser power of 1 TW. Together with the use of targets capable of rapid surface renewal in the beam waist (film winding or a new microdroplet entering the caustic), this is of great interest for the subsequent scaling of the laser-plasma source at repetition rates up to 1 kHz using compact and affordable new generation laser systems. The beams of charged particles with a high average power obtained in this way open up access to laboratory research for a wide range of specialists in a number of applications (nuclear physics and photonics, X-ray diffraction, gamma sources). The problem of optimizing laser-plasma interaction will be solved on the basis of a new approach developed by us, based on the formation of plasma on the surface of a film target with a given electron density profile under the action of artificial nanosecond prepulses. The action of a high-power femtosecond laser pulse on a plasma with controlled parameters makes it possible to increase the efficiency of energy conversion into a fast electrons bunch due to a complex mechanism of particle heating in the plasma associated with the formation of waves of parametric instability and acceleration in the plasma channel of subcritical density. Calculations show that the energy of the beam and its charge can be increased by several times while optimizing the plasma layer. In this case, a key feature of the use of a microdroplet target will be the dynamic modifucation of a drop with the formation of a thin-walled structure (a thin pancake or a sphere), to which the approach of a film target for efficient generation of an electron beam will be transferred. The undoubted advantages of a microdroplet target include a limited droplet size (diameter up to 50 μm), which, when irradiated with powerful pulses, significantly reduces the volume of the ablated material and simplifies the use of a source at high repetition rates of laser pulses from the point of view of contamination of the optics and the design of the target assembly. Within the framework of the project, the dynamics of droplet expansion after exposure to an exciting pulse, the plasma formation process, depending on the type of liquid used (water, oil, glycerin, etc.) will be studied in detail; the features of working with a microdroplet target from the point of view of its long-term stability will be studied including the possibility of scaling up to higher repetition rate of pulses. The successful implementation of the ideas and mechanisms for generating fast particles on a microdroplet target, previously tested on microfilm, will make it possible for a significant progress in terms of creating a new type of laser-plasma source capable of operating at a high repetition rate of pulses.

Коллектив ученых работает по тематике исследования на протяжении почти 10 лет и имеет ряд результатов, которые легли в основу данного проекта