Эффективный тормозной источник позитронов на основе кильватерно-ускоренных электронов

М. Г. Лобок, В. Ю. Быченков

  • М.Г.Лобок. Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, ул. Сущевская, 22; Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: mglobok@vniia.ru
    В.Ю.Быченков. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: bychenk@lebedev.ru
Аннотация: Растущий интерес к получению сильноточных пучков электрон-позитронных пар с помощью лазеров мотивирует использование все более мощных лазерных систем и прогнозирование в этом плане возможностей будущих проектов, таких, например, как установка XCELS, которая способна обеспечить прорыв в создании рекордно мощного источника позитронов с использованием лазерно-ускоренных электронных пучков. Обоснованию последнего посвящено выполненное в настоящей работе сквозное численное моделирование ускорения сгустка электронов мощным импульсом излучения установки XCELS и генерации им пучка позитронов в мишени-конвертере с помощью методов частиц-в-ячейках (PIC) и Монте-Карло (GEANT4). Высокая эффективность получения рекордного числа позитронов обусловлена использованием режима релятивистского самозахвата лазерного импульса для кильватерного ускорения электронов, которое приводит к достижению максимального заряда электронов с энергией в мульти-МэВ и к максимальному коэффициенту конверсии в них лазерной энергии в мишенях околокритической плотности. Проде¬монстрирована возможность рекордно высокого выхода позитронов с энергией за выстрел на уровне МэВ в их классической ( т. е. тормозной) схеме получения по сравнению с выходом, достигаемым ныне для современных лазеров или предсказываемым для имеющихся лазерных проектов будущего. При этом речь идет о возможности получения с помощью установки XCELS максимального числа генерируемых позитронов ∼1012, которое на много порядков превышает выход позитронов, достигаемый в рассматриваемых проектах.
    Ключевые слова: позитроны, электронный пучок, кильватерное ускорение, лазерная установка XCELS.
      Поступила в редакцию: 30.11.2022
      Принята в печать: 30.11.2022
        Образец цитирования: Лобок М.Г., Быченков В.Ю., “Эффективный тормозной источник позитронов на основе кильватерно-ускоренных электронов”, Квантовая электроника, 53 (3), 224–229 (2023).

        Скачать (.pdf)

        Импульсный источник заряженных частиц и нейтронов на основе 10-петаваттной лазерной системы, облучающей микрокластерную среду

        Д. А. Гожев, С. Г. Бочкарев, М. Г. Лобок, А. В. Брантов, В. Ю. Быченков

        • Д.А.Гожев. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46
          С.Г.Бочкарев, М.Г.Лобок, А.В.Брантов, В.Ю.Быченков. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: bochkarevsg@lebedev.ru
        Аннотация: Высокая энергия лазера XCELS допускает получение большого числа лазерно-нагретых/ускоренных частиц и продуктов инициируемых ими ядерных реакций в прозрачной микроструктурированной среде большого объема. В качестве примера изучен режим лазерно-плазменного взаимодействия при умеренно релятивистской интенсивности греющего импульса ∼1018 Вт/cм2 в достаточно большом объеме микрокластерной среды, что не требует острой фокусировки мощного лазерного пучка (пучков), упрощая проведение эксперимента. Если ранее уже было показано, что для лазерного импульса с энергией ∼1 Дж при выполнении определенных условий для геометрических и композиционных параметров дейтерийсодержащей кластерной мишени можно максимально увеличить выход горячих суперпондеромоторных электронов и взрывно-ускоренных дейтронов, то здесь такой подход распространен на фемтосекундный лазерный драйвер с энергией, в сотни раз большей (300 – 400 Дж). Выработаны рекомендации для получения рекордного числа лазерно-нагретых дейтронов умеренных энергий (0.2 – 2 MэВ) в большом объеме кластерной среды (спрей тяжелой воды) на уровне 1015 частиц за выстрел и создания сверхъяркого источника термоядерных DD-нейтронов с ожидаемым пиковым потоком ∼1018 нейтр.·см–2·с–1 .
          Ключевые слова: лазеры мультипетаваттного уровня мощности, прозрачные микроструктурированные среды большого объема, лазерное ускорение электронов и дейтронов, сверхъяркие источники термоядерных нейтронов.
            Поступила в редакцию: 30.11.2022
            Принята в печать: 30.11.2022
              Образец цитирования: Гожев Д.А., Бочкарев С.Г., Лобок М.Г., Брантов А.В., Быченков В.Ю., “ Импульсный источник заряженных частиц и нейтронов на основе 10-петаваттной лазерной системы, облучающей микрокластерную среду”, Квантовая электроника, 53 (3), 217–223 (2023).

              Скачать (.pdf)

              Релятивистский кулоновский взрыв сферической микромишени

              В. Ф. Ковалев, В. Ю. Быченков

              • В.Ф.Ковалев. Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН, Россия, 125047 Москва, Миусская пл., 4; Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущёвская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: vfkvvfkv@gmail.com
                В.Ю.Быченков. Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущёвская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53
              Аннотация: Для лазерной установки XCELS, характеризующейся рекордной мощностью лазерного излучения и генерирующей импульсы ультракороткой длительности, обсуждается перспектива получения частиц с энергиями, достигающими гигаэлектронвольт при использовании кулоновского взрыва облучаемых лазером сферических микромишеней. Дается теоретическое обоснование возможности экспериментальной реализации режима релятивистского кулоновского взрыва крупных сферических мишеней микронного и субмикронного размеров при использовании многостороннего облучения несколькими высокоинтенсивными лазерными пучками, что недоступно пока для существующих мощных лазерных систем. Предлагаемый эксперимент обосновывается результатами теоретико-аналитических исследований процесса ускорения ионов при релятивистском кулоновском взрыве микромишеней, состоящих либо из ионов одного сорта, либо из набора легких (примесных) ионов и основных тяжелых ионов. Найдены пространственно-временные и спектральные характеристики ускоряемых ионов, обладающих релятивистской энергией и квазимонохроматическим спектром. Представленное исследование позволяет предопределить характеристики ионов рекордных энергий от взрывающихся кулоновским образом сферических микромишеней и вести теоретическое сопровождение эксперимента на установке XCELS в однопучковом и многопучковом вариантах.
                Ключевые слова: релятивистский кулоновский взрыв, ускорение ионов, сферическая микромишень, ультракороткие мощные лазерные импульсы.
                  Поступила в редакцию: 30.11.2022
                  Принята в печать: 30.11.2022
                    Образец цитирования: Ковалев В.Ф., Быченков В.Ю., “ Релятивистский кулоновский взрыв сферической микромишени”, Квантовая электроника, 53 (3), 210–216 (2023).

                    Скачать (.pdf)

                    Лазерное ускорение ионов с использованием мишеней низкой плотности

                    А. В. Брантов, М. А. Ракитина, С. И. Глазырин, В. Ю. Быченков

                    • А.В.Брантов, М.А.Ракитина. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: brantovav@lebedev.ru
                      С.И.Глазырин, В.Ю.Быченков. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; e-mail: glazyrin@itep.ru
                    Аннотация: Рассмотрена возможность получения все еще недостижимых энергий лазерно-ускоренных ионов уровня субГэВ на нуклон, необходимых для ряда практических приложений, при использовании короткоимпульсного излучения лазера нового поколения XCELS. Для ускорения ионов до таких энергий предлагается применять низкоплотные мишени, получаемые, например, в результате предшествующего облучения твердотельной фольги дополнительным, более длинным лазерным импульсом. Использование мишеней с контролируемой преплазмой на фронтальной стороне позволяет значительно повысить эффективность нагрева электронов и последующего ускорения ионов полем разделения заряда с тыльной стороны мишени. Такой, в целом классический, механизм ускорения сравнивается с недавно предложенным механизмом синхронизованного ускорения ионов «медленным» светом. Проведенное PIC-моделирование лазерного ускорения протонов дополнено гидродинамическими расчетами для поиска оптимального профиля преплазмы, позволяющего наиболее эффективно генерировать высокоэнергетические частицы. Показана возможность получения большого числа протонов с энергиями порядка 1 ГэВ.
                      Ключевые слова: лазерная установка XCELS, петаваттный уровень энергии, лазерное ускорение ионов, лазерные мишени.
                        Поступила в редакцию: 30.11.2022
                        Принята в печать: 30.11.2022
                          Образец цитирования: Брантов А.В., Ракитина М.А., Глазырин С.И., Быченков В.Ю., “ Лазерное ускорение ионов с использованием мишеней низкой плотности”, Квантовая электроника, 53 (3), 205–209 (2023).

                          Скачать (.pdf)

                          Ускорение ионов силой радиационного давления при взаимодействии экстремально интенсивного импульса циркулярно-поляризованного лазерного излучения с твердотельной мишенью

                          А. С. Самсонов, И. Ю. Костюков

                          • А.С.Самсонов, И.Ю.Костюков. Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова,46; e-mail: asams@ipfran.ru, kost@ipfran.ru
                          Аннотация: Рассматривается возможность эффективного ускорения ионов за счёт силы светового давления экстремального интенсивного импульса циркулярно поляризованного лазерного излучения. С помощью полноразмерного трёхмерного моделирования методом частиц-в-ячейках найдены параметры мишени, такие как толщина и концентрация, и степень фокусировки лазерного излучения, оптимальные с точки зрения эффективности конверсии энергии излучения в энергию ионов, максимальной энергии и заряда ионов. Показано, что при параметрах лазерного излучения, ожидаемых на установке XCELS, возможно получение пучка ионов с энергией до 1.7 ГэВ/нуклон с эффективностью конверсии, достигающей 40 %, и зарядом ионов с энергией свыше 500 МэВ/нуклон более 50 нКл.
                            Ключевые слова: лазерное ускорение ионов, радиационное давление, моделирование методом частиц-в-ячейках.
                              Поступила в редакцию: 30.11.2022
                              Принята в печать: 30.11.2022
                                Образец цитирования: Самсонов А.С., Костюков И.Ю., “ Ускорение ионов силой радиационного давления при взаимодействии экстремально интенсивного импульса циркулярно-поляризованного лазерного излучения с твердотельной мишенью”, Квантовая электроника, 53 (3), 200–204 (2023).

                                Скачать (.pdf)

                                Лазерно-плазменный инжектор ультракороткого сгустка электронов

                                С. В. Кузнецов, И. Р. Умаров, Н. Е. Андреев

                                • С.В.Кузнецов. Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, 125412 Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46
                                  И.Р.Умаров, Н.Е.Андреев. Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, 125412 Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Россия, 141701 Московская обл., Долгопрудный, Институтский пер., 9; e-mail: iskan1997@yandex.ru
                                Аннотация: Представлены результаты численного моделирования методом частиц в ячейках (PIC) процесса генерации сгустка электронов лазерным импульсом при взаимодействии с разреженной газовой мишенью. Показано, что посредством механизма самоинжекции электронов при опрокидывании кильватерной волны лазерного импульса, распространяющегося по восходящему склону плотности плазменной мишени, можно получать сгустки электронов субфемтосекундной длительности с зарядом в сотни пКл и энергией электронов в сотни МэВ. Рассмотренный механизм образования коротких сгустков является основой для разработки инжектора.
                                  Ключевые слова: лазерный импульс, сгусток электронов, ускоряющее кильватерное поле, генерация, инжекция.
                                    Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                    Принята в печать: 30.11.2022
                                      Образец цитирования: Кузнецов С.В., Умаров И.Р., Андреев Н.Е., “Лазерно-плазменный инжектор ультракороткого сгустка электронов”, Квантовая электроника, 53 (3), 194–199 (2023).

                                      Скачать (.pdf)

                                      Каскадное ускорение электронов в плазменном канале, созданном несколькими лазерными импульсами петаваттной мощности

                                      Е. М. Стародубцева, И. Н. Цымбалов, К. А. Иванов, Д. А. Горлова, А. Б. Савельев

                                      • Е.М.Стародубцева. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, физический факультет, Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, 1; e-mail: starodubtceva.em19@physics.msu.ru
                                        И.Н.Цымбалов, Д.А.Горлова. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, физический факультет, Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, 1; Институт ядерных исследований РАН, Россия, 117312 Москва, просп. 60-летия Октября, 7,а
                                        К.А.Иванов. Физический институт П.НЛебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Институт ядерных исследований РАН, Россия, 117312 Москва, просп. 60-летия Октября, 7,а
                                        А.Б.Савельев. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, физический факультет, Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, 1; Физический институт П.НЛебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53
                                      Аннотация: Предложен способ расчета многостадийной схемы прямого лазерно-плазменного ускорения электронов для преодоления эффекта дефазировки и истощения пучка накачки. Предлагаемый метод позволяет оценить параметры плазменного канала для каждой стадии ускорения, а также допустимые диапазоны углов инжекции электронов в следующую стадию. Приведен расчет трехстадийного ускорения электронов до энергии 1 ГэВ при заряде пучка 400 нКл.
                                        Ключевые слова: прямое лазерное ускорение, многокаскадное лазерное ускорение, лазерное ускорение пучков электронов с большим зарядом.
                                          Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                          Принята в печать: 30.11.2022
                                            Образец цитирования: Стародубцева Е.М., Цымбалов И.Н., Иванов К.А., Горлова Д.А., Савельев А.Б., “ Каскадное ускорение электронов в плазменном канале, созданном несколькими лазерными импульсами петаваттной мощности”, Квантовая электроника, 53 (3), 189–193 (2023).

                                            Скачать (.pdf)

                                            Многокаскадное лазерно-плазменное ускорение ультракоротких сгустков электронов и позитронов

                                            М. Е. Вейсман, И. Р. Умаров, Д. В. Пугачёва, Н. Е. Андреев

                                            • М.Е.Вейсман. Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, 125412 Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: bme@ihed.ras.ru
                                              И.Р.Умаров, Н.Е.Андреев. Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, 125412 Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Россия, Московская обл., 141701 Долгопрудный, Институтский пер., 9
                                              Д.В.Пугачёва. Объединенный институт высоких температур РАН, Россия, 125412 Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2
                                            Аннотация: Предложен вариант многокаскадного ускорения электронов на базе многоканальной лазерной установки с пиковой мощностью лазерного импульса до 15 ПВт в одном канале. В отличие от сильно нелинейных режимов ускорения с наличием кавитации электронной плотности на оси распространения излучения, предложенный умеренно нелинейный режим позволит достичь не только достаточно высоких энергий (60 – 100 ГэВ на трех-пяти каскадах ускорителя), но и высокого качества ускоренных электронных сгустков (относительный разброс по энергиям не более 1 %, нормализованный эмиттанс не более 1 мм·мрад), что важно для многочисленных приложений, таких как проведение прецизионных тестов Стандартной модели, экспериментов по квантовой электродинамике (генерация электрон-позитронных пар), экспериментов по созданию мощных источников коротковолнового (гамма-кванты) излучения. Реализация проекта позволит вплотную подойти к этим важным для развития теории и современных практических приложений исследованиям. Проведенный предварительный аналитический анализ и численное моделирование подтверждают достижимость указанных параметров электронных сгустков в случае реализации предложенного проекта.
                                              Ключевые слова: кильватерное поле, лазерно-плазменное ускорение электронов и позитронов, многокаскадные ускорители.
                                                Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                                Принята в печать: 30.11.2022
                                                  Образец цитирования: Вейсман М.Е., Умаров И.Р., Пугачёва Д.В., Андреев Н.Е., “ Многокаскадное лазерно-плазменное ускорение ультракоротких сгустков электронов и позитронов ”, Квантовая электроника, 53 (2), 182–188 (2023).

                                                  Скачать (.pdf)

                                                  Лазерное кильватерное ускорение в плазменном канале

                                                  М. С. Дорожкина, К. В. Балуев, Д. Д. Кутергин, И. К. Лотов, В. А. Минаков, Р. И. Спицын, П. В. Туев, К. В. Лотов

                                                  • М.С.Дорожкина. Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Новосибирский государственный технический университет, Россия, 630073 Новосибирск, просп. Карла Маркса, 20; Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Россия, 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11
                                                    К.В.Балуев, Д.Д.Кутергин, И.К.Лотов. Новосибирский государственный университет, Россия, 630090 Новосибирск, ул. Пирогова, 2
                                                    В.А.Минаков. Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Россия, 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11; e-mail: V.A.Minakov@inp.nsk.su
                                                    Р.И.Спицын, П.В.Туев, К.В.Лотов. Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Россия, 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11; Новосибирский государственный университет, Россия, 630090 Новосибирск, ул. Пирогова, 2
                                                  Аннотация: Показано, что если в качестве драйвера для плазменного кильватерного ускорителя использовать лазерный импульс Центра исследования экстремального света (Саров), то согласно численному моделированию можно ускорить электронный сгусток с зарядом 50 пКл до энергии 100 ГэВ с разбросом по энергии менее 1 %. Для этого требуется создать плазменный канал длиной 70 м с характерным радиусом 200 мкм и концентрацией плазмы на оси 3×1015 см–3. В плазме большей концентрации темп ускорения выше, но длина ускорения и итоговая энергия меньше. Численно оптимизировать параметры ускорителя удается с помощью квазистатической модели с описанием лазерного импульса через его огибающую, что сокращает время расчетов на несколько порядков по сравнению с полными моделями.
                                                    Ключевые слова: лазерное ускорение, плазменный канал, численное моделирование, плазменное ускорение.
                                                      Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                                      Принята в печать: 30.11.2022
                                                        Образец цитирования: Дорожкина М.С., Балуев К.В., Кутергин Д.Д., Лотов И.К., Минаков В.А., Спицын Р.И., Туев П.В., Лотов К.В., “Лазерное кильватерное ускорение в плазменном канале ”, Квантовая электроника, 53 (2), 176–181 (2023).

                                                        Скачать (.pdf)

                                                        Ускорение электронов в режиме релятивистского самозахвата экстремального света

                                                        В. Ю. Быченков, М. Г. Лобок

                                                        • В.Ю.Быченков, М.Г.Лобок. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л.Духова, Россия, 127030 Москва, Сущевская ул., 22; Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: mglobok@vniia.ru
                                                        Аннотация: Продемонстрирована возможность использования лазерного импульса XCELS, распространяющегося в плазме околокритической плотности в режиме релятивистского самозахвата, для ускорения большого числа электронов с энергией около 0.2 – 2 ГэВ с рекордным зарядом, почти до 0.1 мкКл. Еще больший заряд сосредоточен в электронах с энергией ∼100 МэВ. Это открывает новые перспективы использования таких сгустков электронов для создания сверхъярких источников гамма-излучения и получения высокого выхода продуктов фотоядерных реакций и ядерных каскадов.
                                                          Ключевые слова: релятивистский самозахват, ускорение электронов, метод “частица-в-ячейке”.
                                                            Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                                            Принята в печать: 30.11.2022
                                                              Образец цитирования: Быченков В.Ю., Лобок М.Г., “ Ускорение электронов в режиме релятивистского самозахвата экстремального света”, Квантовая электроника, 53 (2), 170–175 (2023).

                                                              Скачать (.pdf)