name: Генерация рентгеновского излучения и высокоэнергетических частиц при взаимодействии релятивистских фемтосекундных лазерных импульсов с кластерными струями
keyword_list: сверхкритические флюиды нейтроны генерация жесткого рентгеновского излучения ускорение электронов релятивистская лазерная интенсивность фемтосекудные лазеры кластеры лазерная плазма
abstract: Создание фемтосекундных импульсно-периодических лазерных систем, работающих при пиковой мощности излучения тераваттного уровня, является тенденцией современной лазерной физики и лазерной техники. Фокусировка излучения такой мощности позволяет достигать релятивистской лазерной интенсивности I > 1018 Вт/см2, что обеспечивает при воздействии на конденсированные среды создание приповерхностной плотной горячей плазмы и перевод вещества в экстремальное состояние. Кластерные струи занимают промежуточное положение между конденсированной средой и газом, они сочетает в себе высокую локальную (~1022 см-3) и низкую среднюю (~1018 см-3) атомную плотность. Благодаря высокой пространственной неоднородности, кластерная среда в поле релятивистской интенсивности обладает значительной оптической нелинейностью, которая делает возможным протекание таких процессов, как: релятивистская самофокусировка с ускорением электронов в плазменном канале и генерация терагерцового излучения. Наличие локальных центров конденсированного нановещества (кластеров), размеры которых могут варьироваться от единиц до сотен нанометров, позволяет осуществлять эффективный энерговклад в кластерную среду (примерно 78%) энергии фемтосекундного лазерного импульса. В результате высокоинтенсивного (более 1016 Вт/см2) фемтосекундного лазерного воздействия атомы в кластерах ионизуются, при этом формируется ансамбль плазменных наносфер, который в литературе принято называть наноплазмой. Лазерно-индуцированная кластерная наноплазма может служить источником рентгеновских квантов, протонов, нейтронов, и также может использоваться для моделирования астрофизических явлений. При этом яркость лазерно-плазменных источников может достигать ~1.3x1020фот/(с мм2 мрад2) и превосходить показатели, свойственные для некоторых синхротронных источников 6x1014 фот/(с мм2 мрад2). Кластерные струи обладают сочетанием таких практически значимых свойств как возобновляемость, стабильность, отсутствие загрязнений в камере взаимодействия. Следует также отметить еще одно достоинство, работа с ними практически не ограничивает пользователя по количеству лазерных импульсов. На основе сказанного выше, кластеры могут рассматриваться в качестве эффективной мишени для фемтосекундных лазерных систем, работающих с высокой частотой повторения. 
  На сегодняшний день актуальна задача поиска условий эффективного взаимодействия релятивистских фемтосекундных лазерных импульсов тераваттной мощности с кластерными струями для генерации высоких потоков рентгеновского излучения и высокоэнергетических частиц.
  Наиболее распространенный способ создания кластерных мишеней – это конденсация газа при сверхзвуковом импульсном расширении в сопле. Оптимизация лазерно-кластерного взаимодействия осуществляется с помощью управления параметрами мишени, такими как средний размер и плотность кластеров в струе. Осуществляется путем подбора исходного газа для создания кластеров, изменения его начальной температуры и давления перед расширением в сопле, а также выбора геометрии самого сопла. 
  В последнее время повышенное внимание уделяется формированию кластеров при сверхбыстром расширении из сверхкритической атомарной или молекулярной среды. Управление параметрами кластеров может осуществляться за счет контроля начального термодинамического состояния среды. Вещество в сверхкритическом состоянии занимает промежуточное место между жидкостью и газом, оно может содержать  кластеры. Кластеризация структуры сверхкритического флюида максимальна около критической точки, называемой областью Видома. Доступные условия для исследования формирования кластеров из области Видома принадлежат, например,  CO2 (Tк = 304 К, Pк = 73.8 бар), в то время как для некоторых многоэлектронных атомов переход в сверхкритическое состояние достигается уже при более сложных условиях - для Kr (Тк = 209 К, Рк = 55 бар) и Ar (Tк = 150.6 К, Pк = 48.6 бар). В виду того, что основную роль в поглощении энергии лазерного импульса играют столкновения электронов, использование многоэлектронных атомов для создания кластерных струй является легким путем для усиления нагрева плотной наноплазмы. Поэтому на примере коммерчески доступных инертных газов, таких как аргон и криптон, в данной работе исследовалось влияние сверхкритических условий на формирование кластеров при сверхзвуковом расширении в коническом сопле. Аргон вследствие своей широкой распространенности в природе часто выбирается в качестве газа для кластеризации, при этом возможности применения кластерных струй криптона для лазерно-плазменных источников исследованы недостаточно. В диссертационной работе изучается возможность получения направленных пучков ускоренных в плотной плазме электронов с энергиями ~1 МэВ в струе кластеров Kr, полученной из субкритических начальных условий. Предполагается, что высокая начальная плотность и наличие кластерной структуры при сверхзвуковом расширении в сопле приведет к формированию струй крупных кластеров >106 атомов на кластер с высокой средней плотностью ~1012 см-3, подходящих для задачи эффективной генерации рентгеновских квантов. Выдвинутое предположение проверялось на примере исследования лазерной генерации широкополосного рентгеновского излучения в крупных кластерах криптона, полученных из сверхкритических условий. 
  Сверхкритический флюид может быть не только средой для кластеризации, но и выступать в качестве носителя целевого вещества. Свойство сверхкритических флюидов растворять в себе другие вещества используется в методе RESS (Rapid expansion of supercritical solutions) для получения струй субмикронных частиц. В диссертационной работе предложен новый подход для получения струй агрегатов, сформированных при расширении сверхкритической молекулярной смеси СО2+CD3OD, для эффективной лазерной генерации нейтронов. Эти мишени имеют преимущество перед дейтерированными кластерами CD4 или D2, использовавшимися ранее. Однофазная сверхкритическая смесь СО2+CD3OD не требует криогенных условий и существует при близкой к комнатной температуре - не более 500 С. Агрегаты CD3OD формируют гетероядерную плазму эффективную для протекания DD реакции, а сам CD3OD имеет высокую ~30% растворимость в сверхкритическом СО2. Такой подход отвечает перспективам проведения экспериментов с высокой частотой повторения в отношении импульсных источников быстрых нейтронов.
  В рамках настоящей работы проведены исследования по оптимизации кластерных мишеней, направленные на создание эффективных наноплазменных источников рентгеновского излучения и высокоэнергетических частиц, таких как нейтроны, ускоренные электроны, с помощью релятивистского фемтосекундного Ti:Sa лазерного излучения. Актуальность данного исследования заключается в адаптации методов лазерно-кластерной генерации высокоэнергетических частиц для экспериментов с использованием коммерчески доступных и широко распространенных субтераваттных лазерных систем.
chairman_dissertation_council.name: Владислав
chairman_dissertation_council.surname: Панченко
chairman_dissertation_council.patronymic: Яковлевич
chairman_dissertation_council.position: председатель РФФИ
chairman_dissertation_council.degree: Доктор физико-математических наук
chairman_dissertation_council.rank: Академик
chairman_dissertation_council.wos_research_id: А-8376-2016
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 36873323300
chairman_dissertation_council.rinc_id: 19683
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Роман
organization_supervisor.surname: Гришаев
organization_supervisor.patronymic: Викторович
organization_supervisor.position: Ученый секретарь ИПЛИТ РАН - филиала ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 29.31.27
rubrics.name: Взаимодействие оптического излучения с веществом
rubrics.code: 29.35.39
rubrics.name: Корпускулярная оптика. Пучки заряженных частиц
rubrics.code: 29.33.47
rubrics.name: Воздействие лазерного излучения на вещество
rubrics.code: 29.27.15
rubrics.name: Излучение плазмы
rubrics.code: 29.05.81
rubrics.name: Методика и техника эксперимента в физике элементарных частиц
oecds.code: 01.03.UF
oecds.name: PHYSICS, FLUIDS & PLASMAS
oecds.code: 01.03.UP
oecds.name: PHYSICS, PARTICLES & FIELDS
oecds.code: 01.03.SY
oecds.name: OPTICS
speciality_codes.name: Квантовая электроника
speciality_codes.code: 05.27.03
supervisors.fio: Гордиенко В.М.
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Лазерная физика
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Брантов А.В.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Лазерная физика
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Чефонов О.В.
opponents.scientific_degree: Кандидат физико-математических наук
opponents.speciality_code: Физика плазмы
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
protection_organization.name: Федеральное государственное учреждение  «Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Росийской академии наук»
protection_organization.ogrn: 1037739548747
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН
author_organization.name: Федеральное государственное учреждение  «Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Росийской академии наук»
author_organization.ogrn: 1037739548747
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения