О моделировании взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с веществом и создании источников частиц на базе этого явления С.Андреев рассказал на прошедшей в конце 2012 года под эгидой ФИАН Школе молодых ученых «Актуальные проблемы Физики». В интервью с корреспондентом ФИАН-Информ он помог разобраться в некоторых деталях этого явления и поведал, как его исследования могут помочь в медицине, нейтронной спектроскопии или даже создании новых ускорителей частиц.
Как рассказал Степан Андреев, Ученый секретарь Института Общей Физики им. А.М. Прохорова РАН и Председатель Совета молодых ученых Отделения физических наук РАН: «Речь идет о взаимодействий сверхинтенсивного лазерного излучения с веществом. Типичная интенсивность таких пико- и фемтосекундных импульсов в современных лазерных системах составляет 1021 Вт/см2 .
Это много или мало? Оптический пробой атмосферного воздуха происходит при интенсивности порядка 1011 Вт/см2, а при 1018 Вт/см2 электрон уже набирает энергию сравнимую со своей массой покоя и его движение становится релятивистским. При 1021 Вт/см2, в лазерной микроплазме мишени уже может наблюдаться широкий спектр различных термоядерных явлений. Такие концентрации энергии достигаются только в очень маленьких областях размерами в десятки микрон, поэтому мы и говорим о микроплазме.»
В таких микроскопических областях из мишеней, облучаемых лазерным излучением, начинают улетать пучки ускоренных электронов и ионов. Эти высокоэнергетичные частицы далее могут взаимодействовать между собой и с атомами мишени с протеканием различных ядерных реакций. Для моделирования этих сложных, требующих дорогих экспериментов, процессов обычно применяют электродинамическое моделирование методом «частицы в ячейке» (PIC – методом в англоязычной литературе). Сегодня существует множество кодов, позволяющих в рамках такого подхода моделировать эти явления на суперкомпьютерах, но зачастую они излишне упрощают явление, сводя его лишь к электродинамике плазмы.
«Из экспериментов известно, что при наших условиях уже вовсю идут неупругие процессы – рождаются гаммы-кванты, наблюдается многократная ионизация, происходят различные ядерные и фотоядерные реакции. Там с атомов мишени электроны «сдираются» буквально вплоть до самых нижних оболочек. Всё это экспериментально исследуется, но самосогласованное моделирование этих процессов одновременно с классическим электродинамическим PIC-моделированием лазерной плазмы пока производилось достаточно мало или не совсем хорошо. Например, используется подход, в котором первая программа – это PIC-код,– она рассчитывает параметры пучка ускоренных частиц, которые затем подставляются в другую программу. А та уже методом Монте-Карло без всякой электродинамики считает распространение этих частиц в массивной мишени. Такой метод не позволяет адекватно учитывать взаимовлияние пучка частиц и атомов мишени, и поэтому мы сделали следующее – включили в стандартный электродинамический код «КАРАТ» вторую часть расчета. Добавили блоки полевой ионизации, генерации гамма-квантов, ядерных и фотоядерных реакций» – рассказал Степан Андреев.
В первых модельных расчетах учёные исследовали процесс генерации гамма-квантов тормозного излучения при облучении золотой мишени. Лазерный импульс, попадающий на мишень, выбивает из нее электроны, большинство которых начинает колебаться у ее поверхности. Приобретенной в процессе ускорения энергии им недостаточно для того чтобы покинуть мишень с образовавшимся нескомпенсированным положительным электрическим зарядом. Поэтому такие электроны снова и снова падают на мишень и, взаимодействуя с ионами золота, испускают гамма-кванты.
После этого внимание учёных переключилось на изучение ядерных реакций между атомами дейтерия. В образовавшейся под воздействием лазерного излучения плазме они могут набирать энергию, достаточную для вступления в реакцию ядерного синтеза (DD-реакцию), которая протекает двумя способами – с образованием гелия-3 и нейтронов или же трития и протонов. Для практических приложений исследователей больше интересовал выход нейтронов в такой реакции, а потому они оценили его для мишени из дейтерированного полиэтилена.
По сравнению с источниками нейтронов на основе ядерных реакторов полученный нейтронный выход оказался не большим, но зато его интенсивность (количество нейтронов в единицу времени) была сравнимой с ними за счет пикосекундной длительности нейтронного импульса.
Кроме того, исследователи нашли способ повысить интенсивность выхода нейтронов – вместо сплошных мишеней из дейтерированного полиэтилена использовать вспененные мишени с микронными размерами полостей, повышающих эффективность d-d реакций.
Последние работы Степана Андреева, о которых он рассказывал на Школе молодых ученых, посвящены моделированию еще одного аспекта взаимодействия интенсивного лазерного излучения с твердым телом – фотоядерного процесса расщепления дейтрона (на протон и нейтрон) при столкновении с энергичными гамма-квантами. Энергия таких квантов должна быть больше порога расщепления 2,23 МэВ, а сама процесс тоже может стать источником дорогостоящих нейтронов. Но и здесь учёным пришлось столкнуться с новыми нюансами.
С.Андреев: «Нейтроны это очень дорогое вещество. В одном обзоре автор пытался оценить стоимость унции, и вышло на порядки дороже золота. По его оценкам вообще получилось, что чистые нейтроны это самое дорогое вещество на Земле. В том числе и поэтому у нас в работах интерес в основном к нейтронам. Но в этих последних экспериментах с фотоядерным расщеплением возник большой вопрос: какими должны быть твердотельные мишени? С одной стороны, они должны содержать дейтерий, а с другой, – эффективно генерировать гамма-кванты – значит, иметь тяжелые ядра с большим зарядом. Как совместить эти два требования? Тут пришла идея использовать соединения, которые применяются в топливных элементах. Дейтерид палладия, например. Палладий очень хорошо растворяет водород и дейтерий, а в Черноголовке есть лаборатория, которая может на каждый атом палладия закачать чуть ли не по атому дейтерия. А создать концентрацию 1:0,6 – это вообще запросто. Тяжелое ядро и дейтерий в одном флаконе».
Использование таких мишеней из дейтерида палладия оказалось очень эффективным для фотоядерных реакций, поскольку в этой системе гамма-кванты пространственно рождаются около атомов дейтерия. При моделировании взаимодействия сверх-интенсивных лазерных импульсов с мишенями расчитывались одновременно все три реакции, о которых шла речь выше – генерации гамма-квантов, d-d реакции и фоторасщепления. В результате, оказалось, что нейтроны, рожденные в разных реакциях, отличаются по своим свойствам. Фоторасщепление дает максвелловский спектр распределения нейтронов по энергиям, а длительность их импульса сравнима с фемтосекундными импульсами лазерного излучения. Нейтроны же d-d реакций (их рождается примерно в сто раз больше) обладают фиксированной энергией, и длительность их импульсов составляет сотни фемтосекунд. При этом варьированием толщины мишени можно управлять длительностью нейтронных импульсов. Все эти результаты позволяют исследователям говорить о перспективах создания источников нейтронов с пиковой интенсивностью порядка 1019 с-1, характерной для самых мощных из существующих нейтронных источников и с максимальной плотностью потока нейтронов 1024 с-1см-2, что на восемь порядков превосходит максимальные плотности потоков существующих нейтронных источников.
«Нейтроны очень важны во многих приложениях. Например, в науках о материалах – для нейтронной спектроскопии. Они очень легко проникают в клетку или сложные молекулярные комплексы. Там нейтроны рассеиваются, благодаря чему можно подробно восстановить вид структуры этой материи. А с импульсными нейтронными источниками появляются еще дополнительные возможности – если в клетке происходит какой-нибудь процесс на коротких временах, чтобы его зафиксировать, нужен как раз короткоимпульсный источник. Это как фотография с короткой выдержкой. Но не стоит забывать и о других частицах, которые тоже можно получать при облучении вещества сверхинтенсивными импульсами. Например, хотят получить пучок моноэнергетичных протонов с энергией около 200 МэВ для лечения рака, использования в адронной терапии. Идут эксперименты по лазерному ускорению - формированию ионных и электронных пучков с энергиями до нескольких ГэВ. Конечно, по сравнению с классическими ускорителями это давно пройденный этап, там речь идет о ТэВ-ах. Но зато LHC – это 26 км, и самый дорогой и сложный эксперимент в мире. А лазерная установка, которая выдает 1021 Вт/см2, имеет размеры в пределах комнаты. И эти пучки еще обладают большой плотностью. Поэтому в качестве инжекторов для больших ускорителей их тоже вполне рассматривают» – отметил в заключение С.Андреев.
В ближайшее время исследователи из ИОФ РАН планируют проверить модельные расчеты на практике. Вместе с нижегородской группой под руководством член-корреспондента РАН Александра Михайловича Сергеева (ИПФ РАН) они обсуждают постановку первых, пробных экспериментов по взаимодействию сверхинтенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, а нам пока остается с нетерпением ждать первых результатов.
М. Петров, АНИ "ФИАН-Информ"
07.03.2013
