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:
ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"

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

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., Гарасев 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.
i 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