МЕГАГРАНТЫ

Лаборатория суперкомпьютерных технологий в нелинейной оптике, физике плазмы и астрофизике

О лаборатории

Наименование проекта Суперкомпьютерные технологии в нелинейной оптике, физике плазмы и астрофизике

Ссылка на официальный сайт

№ договора:
14.B25.31.0008

Наименование ВУЗа:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Университет Лобачевского, ННГУ)

Области научных исследований:
Компьютерные и информационные науки


Проведение комплексных научных исследований в области разработки и внедрения суперкомпьютерных технологий для решения широкого круга актуальных фундаментальных и прикладных проблем нелинейной оптики, физики плазмы и астрофизики.

Ведущий учёный

pukhov 

ФИО: Пухов Александр Михайлович

 

Ученые степень и звание:
Кандидат физико-математических наук, по совокупности работ квалификация признана эквивалентной хабилитации, профессор

Занимаемая должность:

Профессор теоретической физики университета г. Дюссельдорф

Области научных интересов:

1.Теория и компьютерное моделирование лазерно-плазменного ускорения частиц. Автор принципа ускорения в Баббл-режиме.
2.Массивно параллельные вычисления, High Performance Computing.
3.Теория и компьютерное моделирование генерации высоких плазменных гармоник релятивистским лазером.
4.Ускорение частиц в вэйке самомодулированного протонного пучка. Участник AWAKE эксперимента на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе.
5.Новые источники электромагнитного излучения и частиц высокой энергии

Научное признание:

- Heinz-Billing-Preis zur Förderung des Wissenschaftlichen Rechnens (1999),
- победитель кубка Мангейма по производительности параллельного кода (1999),
- лауреат премии им. Софьи Ковалевской фонда им. Александра фон Гумбольдта (2001)

Проф. А. М. Пухов является автором 2 монографий, более 150 работ в ведущих международных журналах, включая 3 статьи в журнале Nature, 36 статей в журнале Physical Review Letters.
Количество цитирований на работы А. М. Пухова превышает 7300 (согласно данным ISI Web of Science). Суммарное количество цитирований 10 наиболее цитируемых публикаций превышает 3100; индекс Хирша (H-индекс) равен 42. Суммарный импакт-фактор журналов (по 2011 JRC Science Edition), в которых опубликованы статьи за последние пять лет — 178.54, (средневзвешенный импакт-фактор за тот же период 3.97). Эти показатели соответствуют уровню мировых лидеров в вычислительной физике.

1. Faure, J.; Glinec, Y.; Pukhov, A.; Kiselev S.; Gordienko S.; Lefebre E.; Rousseau J. P.; Burgy F.; Malka V.; A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams, NATURE 431, Issue: 7008 pp. 541-544 (2004) (885 цитирований)
2. Pukhov, A.; Meyer-ter-Vehn, J.; Laser wake field acceleration: the highly non-linear broken-wave regime, Applied Physics B – Lasers and Optics 74, Issue 4-5, pp. 355-361 (2002) (460 цитирований)
3. Pukhov, A.; Meyer-ter-Vehn, J.; Relativistic magnetic self-channeling of light in near-critical plasma: Three-dimensional particle-in-cell simulation, Physical Review Letters 76, Issue 21, pp. 3975-3978 (1996) (345 цитирований)
4. Lichters, R; Meyer-ter-Vehn, J; Pukhov, A; Short-pulse laser harmonics from oscillating plasma surfaces driven at relativistic intensity, Physics of Plasmas 3, Issue 9, pp. 3425-3437 (1996) (291 цитирование)
5. Pukhov, A.; Sheng, Z.-M.; Meyer-ter-Vehn, J.; Particle acceleration in relativistic laser channels, Physics of Plasmas 6, Issue 7, pp.2847-2854 (1999) (224 цитирования)
6. Gahn, C.; Tsakiris, G. D.; Pukhov, A.; Meyer-ter-Vehn, J.; Pretzler, G.; Thirolf, P.; Habs, D.; Witte, K. J.; Multi-MeV electron beam generation by direct laser acceleration in high-density plasma channels, Physical Review Letters 83, Issue 23, pp. 4772-4775 (1999) (219 цитирований)
7. Rousse, A; Phuoc, K. T.; Shah, R.; Pukhov, A.; Lefebvre, E.; Malka, V.; Kiselev, S.; Burgy, F.; Rousseau, J. P.; Umstadter, D.; Hulin, D.; Production of a keV x-ray beam from synchrotron radiation in relativistic laser-plasma interaction, Physical Review Letters 93, Issue 13, pp. 135005-1-4 (2004) (187 цитирований)
8. Pukhov, A.; Three-dimensional simulations of ion acceleration from a foil irradiated by a shortpulse laser, Physical Review Letters 86, Issue 16, pp. 3562-3565 (2001) (185 цитирований)
9. Bulanov, S. V.; Pegoraro, F.; Pukhov, A. M.; Sakharov, A. S.; Transverse-wake wave breaking, Physical Review Letters 78, Issue 22, pp. 4205-4208 (1997) (183 цитирования)
10. Pukhov, A.; Meyer-ter-Vehn, J.; Laser hole boring into overdense plasma and relativistic electron currents for fast ignition of ICF targets, Physical Review Letters 79, Issue 14, pp. 2686-2689 (1997) (172 цитирования)

Результаты исследований

Томас Й., Голованов А.А., Костюков И.Ю., Пухов A.M. Модель дельта-слоя для границы плазменной полости, возбуждаемой в плазменном канале электронным сгустком или лазерным импульсом // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. С. 228 – 231.

Голованов А.А., Костюков И.Ю. Особенности бетатронных колебаний и бетатронного излучения в плазме с полым каналом // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. С. 188 – 193.

Thomas J., Kostyukov I.Y., Pronold J., Golovanov A., Pukhov A. Non-linear theory of a cavitated plasma wake in a plasma channel for special applications and control // Physics of Plasmas. 2016. V. 23. P. 053108-1-9.

Kostin V.A., Laryushin I.D., Silaev A.A., Vvedenskii N.V. Ionization-induced multiwave mixing: terahertz generation with two-color laser pulses of various frequency ratios // Physical Review Letters. 2016. V. 117. P. 035003-1 – 035003-5.

Garasev M., Derishev E. Impact of continuous particle injection on generation and decay of the magnetic field in collisionless shocks // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2016. V. 461. P. 641 – 646.

Garasev M.A., Derishev E.V., Kocharovsky Vl.V., Kocharovsky V.V. Cyclotron line formation in the magnetized atmospheres of compact stars – I. The transfer equations for polarized radiation // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2016. V. 459. P. 1847 – 1857.

Kudrin A.V., Petrov E.Yu. Plasmons in QED vacuum // Physical Review A. 2016. V. 94. P. 032107-1 – 032107-8.

Gildenburg V.B., Kostin V.A., Pavlichenko I.A. Excitation of surface and volume plasmons in a metal nanosphere by fast electrons // Physics of Plasmas. 2016. V. 23. P. 032120-1-9.

Gildenburg V.B., Pavlichenko I.A. Volume nanograting formation in laser-silica interaction as a result of the 1D plasma-resonance ionization instability // Physics of Plasmas. 2016. V. 23. P. 084502-1-4.

Kostin V.A., Osipov G.V. Transient and periodic spatiotemporal structures in a reaction-diffusion-mechanics system // Chaos. 2016. V. 26. P. 013101-1-6.

Введенский Н.В., Костин В.А., Ларюшин И.Д., Силаев А.А. Возбуждение низкочастотных остаточных токов на комбинационных частотах ионизующего двухцветного лазерного импульса // Квантовая электроника. 2016. Т. 46. С. 419 – 425.

Введенский Н.В., Романов А.А., Силаев А.А. Квантово-механические расчеты остаточной плотности тока, возбуждаемой при ионизации газа интенсивным бихроматическим лазерным импульсом // Квантовая электроника. 2016. Т. 46. С. 426 – 431.

Серебряков Д.А., Неруш Е.Н. Эффективная генерация гамма-излучения при наклонном падении сверхмощных лазерных импульсов на плоский плазменный слой // Квантовая электроника. 2016. Т. 46. С. 299 – 304.

Голованов А.А., Костюков И.Ю., Пухов A.M., Томас Й. Обобщенная модель границы плазменной полости, возбуждаемой коротким лазерным импульсом или релятивистским электронным сгустком в поперечно-неоднородной плазме // Квантовая электроника. 2016. Т. 46. С. 295 – 298.

Kudrin A.V., Kudrina O.A., Petrov E.Yu. Nonlinear normal modes in electrodynamic systems: a nonperturbative approach // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. С. 1149 – 1156.

Костин В.А., Осипов Г.В. Возбуждение пространственно-временных структур в упругих электрически активных сократимых волокнах // Доклады Академии наук. 2016. Т. 466. С. 650 – 653.

Костюков И.Ю., Пухов А.М. Плазменные методы ускорения электронов: современное состояние и перспективы // Успехи физических наук. 2015. Т. 185. С. 89-96.

Kostin V.A., Vvedenskii N.V. Dc to ac field conversion due to leaky-wave excitation in a plasma slab behind an ionization front // New Journal of Physics. 2015. V. 17. P. 033029-1-19.

Nerush E.N., Kostyukov I.Y. Laser-driven hole boring and gamma-ray emission in high-density plasmas // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2015. V. 57. P. 035007-1-7.

Silaev A.A., Vvedenskii N.V. Analytical description of generation of the residual current density in the plasma produced by a few-cycle laser pulse // Physics of Plasmas. 2015. V. 22. P. 053103-1-053103-14.

Силаев А.А., Мешков О.В., Емелин М.Ю., Введенский Н.В., Рябикин М.Ю. Управление динамикой фотоэлектронов для эффективной трансформации короткоимпульсного частотно-модулированного оптического излучения в рентгеновское // Квантовая электроника. 2015. Т. 45, № 5. С. 393-399.

Грач В.С., Гарасеев М.А. Зарядка проводящей сферы в слабоионизованной столкновительной плазме: временная динамика и стационарное состояние // ЖЭТФ. 2015. Т. 148, вып. 1 (7). С. 150-165.

Laryushin I.D., Kuznetsov L.S., Kostin V.A., Silaev A.A., Vvedenskii N.V. Low-frequency generation by ionizing femtosecond laser pulse supplied by its second or half-harmonic // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Плазменная электроника и новые методы ускорения». 2015. № 4 (98). С. 270-273.

Romanov A.A., Silaev A.A., Vvedenskii N.V. Strong-field approximation for analytical calculation of the residual current density excited by gas ionization with an intense two-color laser pulse // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Плазменная электроника и новые методы ускорения». 2015. № 4 (98). С. 286-289.

Silaev A.A., Vvedenskii N.V. Optimization of single-hump imaginary potentials for efficient absorption of the wave function in numerical solution of the time-dependent Schrödinger equation // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Плазменная электроника и новые методы ускорения». 2015. № 4 (98). С. 290-293.

Gelfer E.G., Mironov A.A., Fedotov A.M., Bashmakov V.F., Nerush E.N., Kostyukov I.Yu., Narozhny N.B. Optimized multibeam configuration for observation of QED cascades // Physical Review A. 2015. V. 92. P.022113-1-022113-5.

Kocharovsky V.V., Kocharovsky VI.V., Martyanov V.Ju., Tarasov S.V. The breaks and the hidden components in the power-law spectra of synchrotron radiation of the self-consistent current structures // Physics of Plasmas. 2015. V. 22. P. 083303-1- 083303-6.

Белов А.С. Исследование пространственной структуры и динамики развития возмущений околоземной плазмы при воздействии мощного коротковолнового радиоизлучения // ЖЭТФ. 2015. Т. 148, вып. 4 (10). С. 758-765.

Еськин В.А., Заборонкова Т.М., Кудрин А.В., Остафийчук О.М. Волны, направляемые дактами плотности в магнитоактивной плазме в нерезонансной области свистового диапазона частот // Физика плазмы. 2015. Т. 41, № 3. С. 252–261.

Pukhov A., Jansen O., Tueckmantel T., Thomas J., Kostyukov I.Yu. Field-reversed bubble in deep plasma channels for high-quality electron acceleration // Physical Review Letters. 2014. V. 113. P. 245003-1-245003-5.

Vvedenskii N.V., Korytin A.I., Kostin V.A., Murzanev A.A., Silaev A.A., Stepanov A.N. Two-color laser-plasma generation of terahertz radiation using a frequency-tunable half harmonic of a femtosecond pulse // Physical Review Letters. 2014. V. 112. P. 055004-1-055004-5.

Ji L.L., Pukhov A., Kostyukov I.Yu., Shen B.F., Akli K.U. Radiation-reaction trapping of electrons in extreme laser fields // Physical Review Letters. 2014. V. 112. P. 145003-1–145003-4.

Ji L.L., Pukhov A., Nerush E.N., Kostyukov I.Yu., Akli K.U., Shen B.F. Near QED regime of laser interaction with overdense plasmas // European Physical Journal Special Topics. 2014. V. 223, No. 6. P. 1069–1082.

Pukhov A., Kostyukov I., Tückmantel T., Luu-Thanh P., Mourou G. Coherent acceleration by laser pulse echelons in periodic plasma structures // European Physical Journal Special Topics. 2014. V. 223, No.6. P. 1197-1206.

Thomas J., Pukhov A., Kostyukov I. Temporal and spatial expansion of a multi-dimensional model for electron acceleration in the bubble regime // Laser and Particle Beams 2014. V. 32, P. 277-284.

Tarasov S.V., Kocharovsky Vl.V., Kocharovsky V.V. Universal scaling in the statistics and thermodynamics of a Bose-Einstein condensation of an ideal gas in an arbitrary trap // Physical Review A. 2014. V. 90. P. 033605-1-033605-19.

Ji L.L., Pukhov A., Nerush E.N., Kostyukov I.Yu., Shen B.F., Akli K.U. Energy partition, γ-ray emission, and radiation reaction in the near-quantum electrodynamical regime of laser-plasma interaction // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. P. 023109-1-8.

Kudrin A.V., Shkokova N.M., Ferencz O.E., Zaboronkova T.M. Whistler wave radiation from a pulsed loop antenna located in a cylindrical duct with enhanced plasma density // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. P. 112115-1-112115-11.

Gildenburg V.B., Pavlichenko I.A., Simatov A.I. Steady-state modification of the electron density profile in the resonance region of moving plasma subjected to an alternating electric field // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. P. 012301-1-7.

Nerush E.N., Kostyukov I.Yu., Ji L., Pukhov A. Gamma-ray generation in ultrahigh-intensity laser-foil interactions // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. P. 013109-1-8.

Bashmakov V.F., Nerush E.N., Kostyukov I.Yu., Fedotov A.M., Narozhny N.B. Effect of laser polarization on quantum electrodynamical cascading // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. P. 013105-1-11.

Белов А.С. Исследование поляризационных свойств КНЧ-волн, возбуждаемых при воздействии мощным КВ-радиоизлучением нагревного стенда "Сура" на плазму F2-области ионосферы // Известия ВУЗов "Физика". 2013. Т. 55, № 10/3. С. 5-9.

Белов А.С. Пространственная структура высыпаний электронов, стимулированных ОНЧ-излучением радиопередатчика NWC // Известия ВУЗов "Физика". 2013. Т. 55, № 10/3. С. 10-14.

Pukhov A.M, Kostyukov I.Yu. Relativistically induced transparencyand compressed fusion targets // Problems of Atomic Science and Technology. 2013. No. 4 (86). P. 245-247.

Bashmakov V.F., Nerush E.N., Kostyukov I.Yu. Short-time particle motion in strong standing electromagnetic wave // Problems of Atomic Science and Technology. 2013. No. 4 (86). P. 241-243.

Nerush E.N., Kostyukov I.Yu. Particle beams from laser-irradiated solids at ultrahigh intensities // Problems of Atomic Science and Technology. 2013. No. 4 (86). P. 248-250.

 

Научные результаты

Частицы, обладающие высокой энергией, при попадании в интенсивное электромагнитное поле начинают участвовать в квантовых реакциях. Чаще всего это реакции, протекающие в рамках квантовой электродинамики. Например, электрон при движении в интенсивном электрическом поле может испустить фотон высокой энергии — квант гамма-излучения. Фотон же может распасться, родив при этом электрон-позитронную пару.
Эти простейшие процессы лежат в основе такого явления как квантово-электродинамический (или электромагнитный) каскад. Представим себе электрон, обладающий высокой энергией (что означает, что двигается он со скоростью, близкой к скорости света), влетающий в область интенсивного электромагнитного поля. Двигаясь в поле, он начинает излучать фотоны, которые, в свою очередь, распадаются на электрон-позитронные пары. Рождённые электроны и позитроны снова способны излучать фотоны, что приводит к рождению всё новых и новых поколений частиц (Рис. 1). Таким образом, мы получаем лавинообразный рост числа электронов, позитронов и фотонов. Это явление и называется электромагнитным каскадом.

Рис.1 Схематическое изображение каскада, развивающегося из затравочного электрона.

Каскады могут развиваться, например, в атмосферах планет при попадании туда космических частиц высоких энергий (так называемые атмосферные ливни, Рис. 2). Их последствия в виде потока электронов, позитронов и излучения время от времени фиксируются и на поверхности Земли. При этом источниками сильного поля служат ядра атомов, составляющих атмосферу: когда частицы пролетают мимо них и происходят квантовые реакции. Другой пример — каскады в магнитосферах планет и звёзд, где наличие магнитного поля вблизи поверхности космических тел делает возможным развитие каскада. Вблизи поверхностей пульсаров, из-за их быстрого вращения, существенным оказывается и электрическое поле, также стимулирующее развитие каскадов. Считается, что это — основной механизм возникновения электрон-позитронной плазмы на поверхностях пульсаров. Наконец, не так давно, в связи с активным развитием лазерных технологий и проектированием систем, позволяющих генерировать излучение с мощностью, превышающей 1024Вт/см2, была сформулирована идея возможности наблюдения каскада в лазерном поле.

Рис. 2 Атмосферные ливни вблизи поверхности земли (http://ppc.inr.ac.ru/direction_astro.php).

Отметим, что в первых двух примерах (каскады в атмосферах и магнитосферах планет) на каждом шаге энергия материнской частицы делится между дочерними частицами, которые уже никак не могут её пополнить. Таким образом, в ходе развития каскада энергия затравочной частицы постоянно дробится, делясь между всеми частицами каскада. Поэтому в некоторый момент, когда частиц становится достаточно много, их энергии оказываются слишком малыми: электроны уже не могут излучать фотоны с высокой энергией, а энергии фотона не хватает на рождение электрон-позитронной пары. Это приводит к прекращению каскада.

Рис. 3. Магнитное поле нейтронной звезды (слева) и пульсара (справа),
в которых, предположительно, также идёт развитие КЭД-каскадов
(http://solareclipse.org.ru/cosmos/?cat=29&paged=2).

В случае же каскадов вблизи поверхности пульсаров или в лазерном поле вновь рождённые частицы могут быть ускорены полем и, таким образом, набирать энергию. Таким образом, каскад становится самоподдерживающимся. Конечно, это не означает, что он будет длиться вечно: в некоторый момент рождённая плазма станет настолько плотной, что ослабит (или, как говорят, начнёт экранировать) электромагнитное поле, что приведёт к прекращению рождения новых частиц. Это, однако, делает возможным инициацию каскада даже частицей, изначально обладающей не очень высокой энергией, и значительно увеличивает количество рождённых частиц.

Рис. 4. Иллюстрация к схеме
инициации каскада в лазерном поле.

Вернёмся снова к идее электромагнитных каскадов в лазерном поле. Начиная с пионерской работы А. Р. Белла и Дж. Г. Кирка в 2008 году, по этой тематике было опубликовано множество статей. Данное явление привлекает внимание исследователей по многим причинам. С одной стороны, это фундаментальный интерес. Когда речь идёт о сравнительно небольших энергиях, квантовая электродинамика (КЭД) известна как наиболее точная наука, Классический пример — вычисление магнитного момента электрона, подтверждаемое экспериментом с точностью до девяти знаков после запятой. Однако, КЭД не проверена экспериментально при высоких энергиях и в присутствии интенсивных электромагнитных полей. Электромагнитный каскад — одно из наиболее значимых теоретических следствий КЭД в сверхсильных полях, что делает важной задачу его экспериментального исследования. С другой стороны, в литературе активно обсуждаются и практические применения каскадов. Это, например, создание источников гамма-излучения, генерация электрон-позитронной плазмы, получение экзотических частиц, таких как мюоны, тау-лептоны, пионы и некоторые другие мезоны.
На данном этапе, когда сверхмощные лазерные комплексы находятся на стадии создания, важным является получить как можно больше априорной информации с помощью теоретических исследований. Актуальными являются следующие вопросы: выявление оптимальных для наблюдения каскада конфигураций поля, предсказание свойств конечных продуктов для их более эффективного наблюдения и для сравнения теоретических и экспериментальных предсказаний. Теоретическое исследование каскадов, однако, является весьма сложной задачей. Самосогласованное описание должно включать как квантовые эффекты (носящие стохастический характер), так и динамику электромагнитного поля, взаимодействующего с рождающейся плазмой. Наиболее эффективным методом исследования при этом является численное моделирование. В настоящее время для этих целей используются PIC-MC коды. PIC-часть кода (Particles in Cells – метод частиц в ячейках) является наиболее разработанным инструментом для моделирования взаимодействия электромагнитного поля с плазмой, MC-часть кода (метод Монте-Карло) моделирует квантовые процессы. В нашей группе разрабатывается трёхмерный PIC-MC код, позволяющий проводить полномасштабное моделирование развития каскада, а также других процессов, происходящих при взаимодействии сверхсильных полей с веществом.
С использованием данного кода, в частности, нами было исследовано развитие каскада в поле двух сталкивающихся длинных (ширина огибающей много больше длины волны) лазерных импульсов, образующих в момент столкновения стоячую волну. Основной целью моделирования было выявление того, как на протекание каскада влияет поляризация импульсов, с целью чего были рассмотрены случаи линейной и циркулярной поляризации. Было продемонстрировано, что за одно и то же время и при одной и той же энергии импульсов в циркулярно поляризованной волне может быть получено на порядок большее число частиц, причём, чем больше интенсивность лазерного импульса, тем больше получаемый выигрыш. 

Рис. 5. Результат численного моделирования траекторий заряженных частиц в лазерном поле.

Другое отмеченное различие циркулярной и линейной поляризации заключается в следующем. Каскад в циркулярно поляризованной стоячей волне достаточно быстро выходит на стационарный режим. При этом инкремент роста числа частиц оказывается независящим от времени, кроме того, со временем не меняется форма спектров частиц и пространственное распределение плотности плазмы. Иная ситуация реализуется при развитии каскада в линейно поляризованной волне. Здесь инкремент роста числа частиц оказывается периодической функцией времени. Спектры также периодически меняются со временем: плазма то нагревается, то охлаждается. Также наблюдается периодическое изменение пространственного распределения плотности плазмы. В некоторые моменты времени существует два ярко выраженных максимума плотности плазмы на каждом периоде лазерного поля. Затем каждый из них расщепляется, и на периоде поля образуется четыре максимума. Через некоторое время они снова сходятся, и процесс повторяется. Подобное поведение объясняется тем, что в линейно поляризованной волне преобладает то электрическое, то магнитное поле, в которых динамика каскада имеет существенно различный характер.

 

Пучки квантов света с энергиями в миллионы электронвольт (пучки гамма-квантов) в настоящее время широко применяются в различных областях, что связано, во многом, с их способностью глубоко проникать в вещество. Так, в медицине с их помощью проводят безоперационное удаление опухолей головного мозга (радиохирургия), а в машиностроении - бесконтактный контроль качества сварных швов. Также гамма-кванты широко применяются в фундаментальной науке, прежде всего, для изучения строения ядер (ядерная спектроскопия) и диагностики экстремальных состояний вещества. Однако используемые в настоящее время источники гамма-квантов часто низкоэффективны, громоздки или дороги. Также современные гамма-источники далеко не всегда позволяют получать пучки гамма-квантов с нужными характеристиками.
Недавно был предложен принципиально новый метод генерации гамма-квантов, использующий сверхмощные лазерные импульсы. В настоящее время лазерные технологии достигли такого уровня развития, что в поле, генерируемым современными мощными лазерными системами, электроны могут разгоняться до скорости, близкой к скорости света. Такие электроны, двигаясь в лазерном поле, могут излучать гамма-кванты, причём эффективность их излучения может быть очень высокой при использовании мультипетаваттных лазерных систем. Кроме того, излучение жёстких фотонов становится неотъемлемой чертой взаимодействия лазерного излучения с веществом, следовательно, изучение его изучение имеет фундаментальное значение.
Нами впервые было проведено трёхмерное моделирование подобного механизма генерации, а именно, моделирование взаимодействия сверхмощного лазерного импульса с тонкой плёнкой. Под действием лазерного поля плёнка ионизуется, а её электроны быстро ускоряются и излучают фотоны высоких энергий. В ходе численного моделирования данной задачи нами были найдены параметры плёнки и лазерного импульса, соответствующие наиболее эффективной генерации гамма-квантов.
Из-за разделения ионного остова и электронов плёнки образуется сильное электрическое поле, ускоряющее ионы. Показано, что ускорение ионов осуществляется наиболее эффективно в той же области параметров, что и излучение гамма-квантов. Таким образом, ускорение ионов и излучение гамма-квантов - два основных канала поглощения лазерной энергии при высоких интенсивностях.
Численное моделирование лазерно-плазменной генерации гамма-квантов позволило также найти параметры излучения. Показано, что с использованием уже существующих лазерных систем возможно создание источников гамма-квантов, превосходящих классические источники по производительности, яркости и мощности на много порядков [http://dx.doi.org/10.1063/1.4863423].

Взаимодействие 100 ПВт-ного лазерного импульса (красный) с тонкой плёнкой (электронная плотность показана зелёным). Излучаемые в процессе взаимодействия гамма-кванты показаны синим цветом. (Результаты численного моделирования).

Для исследования фундаментальных свойств материи необходимы эксперименты с частицами с энергией, которая уже недоступна в современных ускорителях частиц. Стандартные современные методы ускорения заряженных частиц подошли к технологическому пределу, при котором дальнейшее увеличение ускоряющего поля приводит к разрушению ускоряющей структуры. Поэтому достижение новых рубежей энергии ускоряемых частиц в рамках стандартных технологий возможно лишь при увеличении длины ускорения, что приводит к гигантским размерам ускорителей и их огромной стоимости. Например, Большой андронный коллайдер, с помощью которого, в частности, предполагается обнаружить бозон Хиггса, представляет собой многокилометровое сооружение стоимостью несколько миллиардов евро.

Длина туннеля для БАК (http://home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider) составляет около 27 км.

Наиболее обсуждаемые в последнее время альтернативные схемы ускорения с высоким темпом ускорения заряженных частиц основаны на использовании плазмы и мощного лазерного излучения. Напряженность лазерного поля на много порядков больше напряженности ускоряющих полей в современных ускорителях. Непосредственному использованию лазерного поля для ускорения частиц мешает поперечная структура лазерной волны. Использование плазмы, как среды трансформирующей лазерное излучение, позволяет формировать ускоряющие поля с высокой напряженностью. В настоящее время в лабораторных условиях удалось ускорить электроны в плазменных полях, возбуждаемых мощным лазерным импульсом, до энергии в несколько ГэВ на длине в нескольких сантиметров. Такой темп ускорения на несколько порядков выше темпа в современных ускорителях .

Линейный ускоритель в Стэнфорде.
Энергия ускоренных электронов составляет примерно

50 ГэВ при длине ускорителя 3 км (https://www6.slac.stanford.edu/).
Лазерная система на базе технологии ICAN
(G. Mourou et al.,  Nature Photonics 2013,
http://www.nature.com/nphoton/journal/v7/n4/full/nphoton.2013.75.html).

Нами предложены 2 новые схемы ускорения электронов в плазменных структурах, облучаемых последовательностью сфазированных лазерных импульсов. Такие последовательности могут быть сгенерированы новыми поколениями волоконных лазеров, использующих технологию ICAN. В первой схеме используется периодическая последовательность плазменных резонаторов Фабри-Перо, куда закачивается лазерная энергия. В резонаторах, с протяженностью равной половине лазерной длины волны, поле находится в ускоряющей для электронов фазе.  Область поля с тормозящей фазой, протяженностью также равной половине лазерной длины волны, попадает в область с закритической плазмы и не влияет на динамику электронов.  Моделирование показывает, что в такой структуре электроны ускоряются ускорение электронов до 50 Гэв на длине около 2 метров.

  Последовательнось сфазированных лазерных импульсов

Ускоряющая плазменная структура на основе плазменных резонаторов Фабри-Перо, накачиваемые последовательностью сфазированных лазерных импульсов.

Вторая схема основана на использование открытых плазменных структур. Принцип ускорения аналогичен первой схеме, однако в данном случае нет эффекта усиления Фабри-Перо для ускоряющего лазерного поля. Тем не менее, в этом случае можно использовать более мощные лазерные поля. Предполагается, что структура после ускорения одного сгустка   разрушается и заменяется новой. Моделирование показало, что во второй схеме электроны  ускоряются до 200 ГэВ на 10 см. Такой темп ускорения на 2 порядка выше темпа, наблюдаемого в экспериментах по лазерно-плазменному ускорению и на 5 порядков выше темпа в современных стандартных ускорителях. 

Ускоряющая плазменная структура на основе открытых структур, накачиваемых последовательностью сфазированных лазерных импульсов.

Результаты моделирования, демонстрирующие ускорение электронного сгустка в открытых плазменных структурах, накачиваемых последовательностью сфазированных лазерных импульсов, до энергии примерно 200 ГэВ на длине 10 см, что соответствует темпу ускорения ~ 4 ТэВ/м.

Back to top