ИСТИНА

В проекте исследуется формирование релятивистских электронных зеркал - одиночных сгустков электронов аттосекундной длительности и диаметром в несколько микрон, с релятивистской скоростью направленного движения и близкой к твердотельной плотностью электронов. Для генерации столь уникальных электронных объектов преложено использовать сверхмощные лазерные импульсы с крутым фронтом, падающие перпендикулярно на нанопленку - твердотельную мишень с толщиной до 10 нанометров. Предполагается также исследовать ускорение ионов нанопленки при формировании релятивистских электронных зеркал. Для исследований будет применяться метод численного моделирования «частица в ячейке». В результате исследований будут получены зависимости параметров релятивистских электронных зеркал от характеристик лазерного импульса и нанопленки, а также найдены оптимальные параметры системы для экспериментальной реализации метода.

В ходе выполнения проекта было исследовано несколько важных проблем, связанных с генерацией релятивистских электронных зеркал (РЭЗ), идея формирования которых впервые предложена авторами данного проекта [Phys. Rev. Lett., 99, 124801 (2007)]. Были численно исследованы характеристики РЭЗ для широкого диапазона параметров лазерного импульса и нанопленки. Показано, что при определенных условиях возможно осуществление квазимонохроматического режима генерации РЭЗ с относительным разбросом энергий электронов не более нескольких процентов. Также было проведено сравнение параметров РЭЗ, следующих из самосогласованной одномерной аналитической теории, развитой ранее авторами, с полученными в ходе выполнения проекта численными данными, показавшее хорошее совпадение результатов. Также в проекте проанализированы условия, при которых идея генерации РЭЗ может быть реализована экспериментально, найдены требуемые параметры лазерных импульсов для формирования РЭЗ, предложены и исследованы схемы формирования (шейпинга) таких импульсов. Предложена новая концепция формирования коротких импульсов и асимметричных импульсов с крутым фронтом и пологим спадом (необходимых для формирования РЭЗ), в которой используются плазменные слои с толщиной порядка длины волны лазера и плотностью, в 5-20 раз превышающей критическую. Такие слои позволяют практически полностью подавить часть фронта импульса с малой амплитудой, что выгодно отличает их от нанопленок. Обнаружен новый физический эффект, возникающий при шейпинге лазерного импульса с линейной поляризацией. Этот эффект состоит в увеличении амплитуды проходящего импульса вплоть до амплитуды падающего и даже больше. Возможным физическим механизмом, лежащим в основе этого эффекта может быть когерентное преобразование энергии продольных колебаний электронов, возбуждаемых фронтом падающего импульса, в кулоновском поле ионов в поперечное электромагнитное поле. Исследованы характеристики пропускающего окна для различных параметров лазерного импульса и плазменного слоя, а также влияние движения ионов на процесс шейпинга. Исследован шейпинг циркулярно-поляризованных лазерных импульсов. Показано, что самосогласованная модель летящего зеркала, разработанная ранее авторами проекта для нанопленок (Kulagin V.V. et al, Phys. Plasmas, 11, 113102 (2007)), может быть с успехом применена и для случая плазменных слоев с толщиной порядка длины волны. Это позволяет аналитически предсказывать форму прошедшего импульса. Все результаты проверены с помощью двумерного численного моделирования методом частиц. В проекте было также исследовано ускорение ионов при образовании РЭЗ. Были определены основные характеристики ионных пучков. Найдены и исследованы два физических механизма, ограничивающих максимальную энергию ионов. Ограничение может быть связано как с продольным возвратом электронов к начальному положению, так и с поперечным движением электронов вдоль поверхности нанопленки, что вызывает компенсацию заряда ионов. Построена аналитическая теория, описывающая оба механизма. Эта теории дает хорошее согласие с результатами двумерного численного моделирования методом частиц. На основании развитой теории были найдены оптимальные параметры лазерного импульса и нанопленки для формирования пучка ионов с максимальной энергией. В результате при использовании лазерных импульсов мощностью 1-2 ТВт с энергией 10-20 мДж протоны могут быть ускорены до энергий 10-15 МэВ, а лазерные установки с мощностью импульса порядка петаватта и энергией импульса не более 10 Дж позволяют осуществлять лазерное ускорение протонов до релятивистских энергий. И, наконец, была предложена и исследована схема ускорения ионов последовательностью лазерных импульсов умеренной амплитуды. Было показано, что ионы в этом случае могут ускоряться более эффективно, чем при ускорении одиночным длинным импульсом с эквивалентной энергией. Оптимальная задержка между импульсами определяется периодом продольных колебаний электронов в кулоновском поле ионов нанопленки. Для такой задержки возможно дополнительное резонансное увеличение энергии ускоренных ионов на 15-20 %. Все это может иметь большое значение для практической реализации метода лазерной адронной терапии.