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)

        Обратный эффект Фарадея, индуцированный радиационным трением, при облучении плотной плазмы скрещенными лазерными пучками мультипетаваттной мощности

        Т. В. Лисейкина, Е. Е. Пеганов, С. В. Попруженко

        • Т.В.Лисейкина. Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Россия, 630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 6
          Е.Е.Пеганов. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия, 115409 Москва, Каширское ш., 31
          С.В.Попруженко. Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Россия, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38; e-mail: sergey.popruzhenko@gmail.com
        Аннотация: Обсуждается возможность экспериментальной реализации обратного эффекта Фарадея, индуцированного радиационным трением, при облучении плотной плазменной мишени двумя скрещенными линейно поляризованными лазерными пучками мультипетаваттной мощности. Исследована зависимость максимальной величины возбуждаемого продольного магнитного поля и размера области, занимаемой этим полем, от угла 2Θ между лазерными пучками. Показано, что использование двухпучковой схемы кратно увеличивает амплитуду возбуждаемого магнитного поля, которая при интенсивностях ∼3×1023 Вт/см2 достигает 2 – 3 ГГс при углах схождения пучков 2Θ ≤ 10°.
          Ключевые слова: сильное лазерное поле, обратный эффект Фарадея, радиационное трение.
            Поступила в редакцию: 30.11.2022
            Принята в печать: 30.11.2022
              Образец цитирования: Лисейкина Т.В., Пеганов Е.Е., Попруженко С.В., “Обратный эффект Фарадея, индуцированный радиационным трением, при облучении плотной плазмы скрещенными лазерными пучками мультипетаваттной мощности”, Квантовая электроника, 53 (2), 165–169 (2023).

              Скачать (.pdf)

              Генерация электрон-позитронных пар при скользящем падении импульсного лазерного излучения на фольгу

              А. С. Самсонов, И. Ю. Костюков, М. Филипович, А. Пухов

              • А.С.Самсонов, И.Ю.Костюков. Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Россия, 603022 Н.Новгород, просп. Гагарина, 23; e-mail: asams@ipfran.ru
                M.Filipovic, A.Pukhov. Institut für Theoretische Physik I, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 40225 Düsseldorf, Germany
              Аннотация: Исследовано образование электрон-позитронных пар в результате взаимодействия лазерного излучения с плоской плазменной мишенью закритической плотности (фольгой). С помощью полноразмерного трёхмерного численного моделирования методом частиц в ячейках с учётом квантово-электродинамических эффектов определены такие параметры образованных пар, как их число, концентрация, спектр и угловое распределение. Исследованы две конфигурации взаимодействия, использующие различные схемы фокусировки шести лазерных пучков с параметрами, ожидаемыми на установке XCELS, на плоскую твердотельную мишень. Рассмотренные конфигурации являются неоптимальными с точки зрения максимально достижимых параметров на данной лазерной установке, но надёжными и достаточно простыми с точки зрения практической реализации. Показано, что даже в таких конфигурациях возможна генерация электрон-позитронных пар с энергиями вплоть до единиц ГэВ, полным числом частиц более 1011 и средней концентрацией 2×1020 см–3. Генерация электрон-позитронной плазмы с такими параметрами открывает возможности для лабораторного исследования ряда астрофизических процессов.
                Ключевые слова: образование электрон-позитронных пар, процесс Брейта – Уилера, 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., Филипович М., Пухов А., “Генерация электрон-позитронных пар при скользящем падении импульсного лазерного излучения на фольгу”, Квантовая электроника, 53 (2), 160–164 (2023).

                    Скачать (.pdf)

                    Влияние фаз импульсов на развитие электромагнитных каскадов в предлагаемой для установки XCELS конфигурации поля

                    Е. Н. Неруш, Р. Р. Илигенов, И. Ю. Костюков

                    • Е.Н.Неруш, Р.Р.Илигенов, И.Ю.Костюков. Федеральный исследовательский Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: nerush@ipfran.ru, kost@ipfran.ru
                    Аннотация: Продемонстрирована потенциальная возможность наблюдения самоподдерживающихся электромагнитных каскадов на установке XCELS при случайной разности фаз импульсов излучения в разных каналах для суммарной мощности 36 ПВт.
                      Ключевые слова: электромагнитные каскады, установка XCELS, фазы импульса.
                        Поступила в редакцию: 30.11.2022
                        Принята в печать: 30.11.2022
                          Образец цитирования: Неруш Е.Н., Илигенов Р.Р., Костюков И.Ю., “Влияние фаз импульсов на развитие электромагнитных каскадов в предлагаемой для установки XCELS конфигурации поля”, Квантовая электроника, 53 (2), 157–159 (2023).

                          Скачать (.pdf)

                          Формирование пучков заряженных частиц в многопучковых системах электродипольной конфигурации мультипетаваттного уровня мощности

                          Е. С. Ефименко, А. В. Башинов, А. А. Муравьев, Е. А. Панова, В. Д. Волокитин, И. Б. Мееров, А. В. Ким, А. М. Сергеев

                          • Е.С.Ефименко, А.В.Башинов, А.А.Муравьев, А.В.Ким, А.М.Сергеев. Федеральный исследовательский Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: evgeny.efimenko@ipfran.ru
                            Е.А.Панова, В.Д.Волокитин, И.Б.Мееров. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Россия, 603022 Н.Новгород, просп. Гагарина, 23
                          Аннотация: Предложено использовать мультипетаваттные многопучковые системы, воспроизводящие дипольную волну электрической конфигурации, для максимизации электрического поля в области взаимодействия и энергии ускоренных частиц. Пробой вакуума в полях такой конфигурации приводит к формированию пучков ускоренных до нескольких ГэВ электронов и позитронов. Показано, что при использовании 12 лазерных импульсов длительностью 30 фс и полной мощностью 36 ПВт суммарный заряд ускоренных электронов (позитронов) может достигать 250 – 270 нКл, а заряд частиц с энергией больше 1 ГэВ – превышать 1 нКл. Продемонстрировано, что электродипольная структура полей позволяет получить экстремально узкое (несколько мрад) распределение частиц по полярному углу, отсчитываемому от оси симметрии поля. Также показано, что распределение частиц по азимутальному углу может использоваться для диагностики режимов взаимодействия при пробое вакуума. Полученные результаты могут быть полезны при подготовке экспериментов на перспективной лазерной системе XCELS.
                            Ключевые слова: КЭД каскад, электрон-позитронная плазма, ускорение частиц, многопучковые конфигурации, мультипетаваттные системы, XCELS.
                              Поступила в редакцию: 30.11.2022
                              Принята в печать: 30.11.2022
                                Образец цитирования: Ефименко Е.С., Башинов А.В., Муравьев А.А., Панова Е.А., Волокитин В.Д., Мееров И.Б., Ким А.В., Сергеев А.М., “ Формирование пучков заряженных частиц в многопучковых системах электродипольной конфигурации мультипетаваттного уровня мощности”, Квантовая электроника, 53 (2), 150–156 (2023).

                                Скачать (.pdf)

                                Источник гамма-фотонов в мультипетаваттных многопучковых системах электродипольной конфигурации

                                Е. С. Ефименко, А. В. Башинов, А. А. Муравьев, Е. А. Панова, В. Д. Волокитин, И. Б. Мееров, А. В. Ким, А. М. Сергеев

                                • Е.С.Ефименко, А.В.Башинов, А.А.Муравьев, А.В.Ким, А.М.Сергеев. Федеральный исследовательский Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: evgeny.efimenko@ipfran.ru
                                  Е.А.Панова, В.Д.Волокитин, И.Б.Мееров. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Россия, 603022 Н.Новгород, просп. Гагарина, 23; e-mail: elena.panova@itmm.unn.ru
                                Аннотация: Исследована возможность создания сверхъяркого источника фотонов с энергиями до нескольких ГэВ на основе перспективных многопучковых лазерных систем мультипетаваттного уровня. Для достижения максимальной энергии фотонов и формирования направленного пучка фотонов в качестве основной конфигурации предложено использовать электродипольную структуру поля, максимизирующую амплитуду электрического поля в области фокуса. Исследованы зависимости характеристик генерируемого гамма-излучения от числа лазерных пучков, облучающих плазменную мишень, и их фокусировки. Показано, что для параметров лазерной системы, близких к заявленным параметрам установки XCELS, и полной мощности 36 ПВт максимальная энергия гамма-фотонов может достигать 2 ГэВ, эффективность конверсии лазерного излучения в фотоны с энергией больше 1 МэВ – 40 %, а поток фотонов с энергией больше 1 ГэВ может приближаться к 1025 с–1. Диаграмма направленности гамма-излучения может иметь ширину всего несколько мрад и несет информацию о различных режимах плазменно-полевой динамики в фокальной области. Проведенные исследования показывают, что многопучковые мультипетаваттные лазерные системы, такие как XCELS, могут стать основой для построения сверхъяркого источника гамма-излучения.
                                  Ключевые слова: гамма-фотоны, КЭД каскад, мультипетаваттные системы, сверхъяркий источник, установка XCELS, многопучковые конфигурации.
                                    Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                    Принята в печать: 30.11.2022
                                      Образец цитирования: Ефименко Е.С., Башинов А.В., Муравьев А.А., Панова Е.А., Волокитин В.Д., Мееров И.Б., Ким А.В., Сергеев А.М., “ Источник гамма-фотонов в мультипетаваттных многопучковых системах электродипольной конфигурации”, Квантовая электроника, 53 (2), 145–149 (2023).

                                      Скачать (.pdf)

                                      О возможности наблюдения радиационных эффектов при взаимодействии сверхмощного лазерного излучения магнитодипольной конфигурации с плазмой

                                      А. В. Башинов, Е. С. Ефименко, А. А. Муравьев, В. Д. Волокитин, Е. А. Панова, И. Б. Мееров, А. М. Сергеев, А. В. Ким

                                      • А.В.Башинов, Е.С.Ефименко, А.А.Муравьев, А.М.Сергеев, А.В.Ким. Федеральный исследовательский Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: bashinov@ipfran.ru
                                        В.Д.Волокитин, Е.А.Панова, И.Б.Мееров. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Россия, 603022 Н.Новгород, просп. Гагарина, 23
                                      Аннотация: Рассмотрена проблема учета радиационных потерь при описании динамики заряженной частицы в электромагнитных полях. Решение этой фундаментальной проблемы становится все более востребованным в свете создания сверхсильных лазеров. Поскольку генерация излучения заряженной частицей зависит как от величин полей, в которых она двигается, так и от их структуры, то разрабатываемые мультипетаваттные многопучковые лазерные системы, такие как XCELS, могут открыть уникальные пути решения этой проблемы. В настоящей работе предлагается один из таких путей, основанный на использовании магнитодипольной конфигурации поля, формируемой несколькими лазерными импульсами. С помощью численного моделирования мы показываем, что при облучении твердотельной мишени в виде нанопровода несколькими петаваттными лазерными импульсами, максимизирующими магнитное поле в фокусе, может возникать режим аномального радиационного захвата. Формируемые распределения ускоренных электронов и генерируемых гамма-фотонов в этом режиме имеют отличительные свойства, на основе которых можно экспериментально определить применимость различных теоретических подходов к описанию радиационных потерь.
                                        Ключевые слова: магнитодипольная фокусировка, радиационные потери, аномальный радиационный захват.
                                          Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                          Принята в печать: 30.11.2022
                                            Образец цитирования: Башинов А.В., Ефименко Е.С., Муравьев А.А., Волокитин В.Д., Панова Е.А., Мееров И.Б., Сергеев А.М., Ким А.В., “ О возможности наблюдения радиационных эффектов при взаимодействии сверхмощного лазерного излучения магнитодипольной конфигурации с плазмой”, Квантовая электроника, 53 (2), 136–144 (2023).

                                            Скачать (.pdf)

                                            Пробой вакуума в многопучковой конфигурации магнитодипольной волны

                                            А. А. Муравьев, А. В. Башинов, Е. С. Ефименко, Е. А. Панова, В. Д. Волокитин, И. Б. Мееров, А. В. Ким, А. М. Сергеев

                                            • А.А.Муравьев, А.В.Башинов, Е.С.Ефименко, А.В.Ким, А.М.Сергеев. Федеральный исследовательский Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: sashamur@ipfran.ru
                                              Е.А.Панова, В.Д.Волокитин, И.Б.Мееров. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Россия, 603022 Н.Новгород, просп. Гагарина, 23
                                            Аннотация: Исследован пробой вакуума в мультипетаваттных лазерных полях многопучковой конфигурации, соответствующей сходящейся магнитодипольной волне. С помощью трехмерного численного моделирования методом частиц-в-ячейках определена пороговая суммарная мощность лазерного излучения, необходимая для пробоя вакуума, в зависимости от количества лазерных пучков. Показано, что минимальная пороговая мощность пробоя 14 ПВт достигается при использовании 12 пучков, с уменьшением числа пучков до двух-шести пороговая мощность возрастает и устанавливается на уровне 18 ПВт. Определена зависимость скорости развития квантово-электродинамического каскада от количества лазерных пучков в широком диапазоне мощностей. Продемонстрировано, что флуктуации мощности каждого из пучков слабо влияют как на порог пробоя, так и на скорость развития каскада.
                                              Ключевые слова: магнитодипольная волна, КЭД-каскад, пробой вакуума.
                                                Поступила в редакцию: 30.11.2022
                                                Принята в печать: 30.11.2022
                                                  Образец цитирования: Муравьев А.А., Башинов А.В., Ефименко Е.С., Панова Е.А., Волокитин В.Д., Мееров И.Б., Ким А.В., Сергеев А.М., “Пробой вакуума в многопучковой конфигурации магнитодипольной волны”, Квантовая электроника, 53 (2), 130–135 (2023).

                                                  Скачать (.pdf)

                                                  Расчет и анализ сигнала поляризации вакуума в трехпучковой схеме

                                                  А. В. Березин, А. М. Федотов

                                                  • Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия, 115409 Москва, Каширское ш., 31; e-mail: arsenbrs@mail.ru, am_fedotov@mail.ru
                                                  Аннотация: Разработан эффективный метод расчета числа и характеристик фотонов, излучаемых вакуумом, поляризованным перекрывающимися фокусированными лазерными импульсами. Исследована и оптимизирована зависимость сигнала от фокусировки и поляризации импульсов и обоснована возможность его детектирования на мультипетаваттной установке XCELS.
                                                    Ключевые слова: поляризация вакуума, трехпучковая схема, мультипетаваттные лазерные импульсы.
                                                      Поступила в редакцию: 20.12.2022
                                                      Принята в печать: 20.12.2022
                                                        Образец цитирования: Березин А.В., Федотов А.М. “Расчет и анализ сигнала поляризации вакуума в трехпучковой схеме”, Квантовая электроника, 53 (2), 123–129 (2023).

                                                        Скачать (.pdf)

                                                        XCELS – Международный центр исследований экстремальных световых полей

                                                        Е. А. Хазанов, А. А. Шайкин, И. Ю. Костюков, В. Н. Гинзбург, И. Б. Мухин, И. В. Яковлев, А. А. Соловьев, И. И. Кузнецов, С. Ю. Миронов, А. В. Коржиманов, Д. Н. Буланов, И. А. Шайкин, А. А. Кочетков, А. А. Кузьмин, М. А. Мартьянов, В. В. Ложкарев, М. В. Стародубцев, А. Г. Литвак, А. М. Сергеев

                                                        • Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики РАН, Россия, 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46; e-mail: efimkhazanov@gmail.com
                                                        Аннотация: Описан проект XCELS (еXawatt Center for Extreme Light Studies), целью которого является создание крупной научной инфраструктуры на основе источников лазерного излучения с гигантской пиковой мощностью. Проект базируется на достигнутых в последнее десятилетие значительных успехах по созданию фемтосекундных мультипетаваттных лазеров с интенсивностью до 1023 Вт/см2. В основе планируемой инфраструктуры будет находиться уникальный источник света мощностью 600 ПВт на базе оптического параметрического усиления чирпированных импульсов в кристалле DKDP. Фундаментальные процессы взаимодействия такого излучения с веществом представляют совершенно новую область знания и будут основной исследовательской задачей инфраструктуры. Впервые откроются возможности изучения пространственно-временной структуры вакуума и неизвестных явлений на стыке физики высоких энергий и физики сверхсильных полей. Предполагаемые приложения результатов исследований будут включать в себя, в том числе, разработку компактных ускорителей заряженных частиц с размерами, в сотни раз меньшими размеров имеющихся ускорителей, создание источников сверхкоротких импульсов жесткого рентгеновского и гамма-излучения для диагностики материалов с беспрецедентным пространственным и временным разрешением, разработку новых источников излучения и частиц для клинических приложений и др.
                                                          Ключевые слова: сверхмощные фемтосекундные лазеры, взаимодействие ультрарелятивистского излучения с веществом.
                                                            Поступила в редакцию: 18.12.2022
                                                            Принята в печать: 18.12.2022
                                                              Образец цитирования: Хазанов Е.А., Шайкин А.А., Костюков И.Ю., Гинзбург В.Н., Мухин И.Б., Яковлев И.В., Соловьев А.А., Кузнецов И.И., Миронов С.Ю., Коржиманов А.В., Буланов Д.Н., Шайкин И.А., Кочетков А.А., Кузьмин А.А., Мартьянов М.А., Ложкарев В.В., Стародубцев М.В., Литвак А.Г., Сергеев А.М. “XCELS – Международный центр исследований экстремальных световых полей”, Квантовая электроника, 53 (2), 95–122 (2023).

                                                              Скачать (.pdf)