Научные результаты
Лазерно-плазменная генерация гамма-квантов.
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).
