Взаимодействие сверхинтенсивного лазерного импульсного излучения с веществом позволяет на базе этого явления создавать источники частиц. Типичная интенсивность 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 может уже 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 возникать пучки ускоренных электронов и ионов. Эти высокоэнергетичные частицы 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). Из экспериментов известно, что при обычных 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 согласованное моделирование этих процессов одновременно с классическим электродинамическим PIC-моделированием лазерной плазмы пока производилось достаточно мало и не совсем корректно. 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 небольшим, но зато его интенсивность (количество нейтронов в единицу времени) была сравнимой с источниками на основе ядерных реакторов за счет пикосекундной длительности нейтронного импульса. Исследователи нашли способ повысить интенсивность выхода нейтронов – вместо сплошных мишеней из дейтерированного полиэтилена использовались вспененные мишени с микронными размерами полостей. Последние работы группы ученых Института прикладной физики РАН 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. Нейтроны это очень дорогое вещество. В одном обзоре автор пытался оценить стоимость их унции и вышло на порядки дороже золота. Получилось, что чистые нейтроны это самое дорогое вещество на Земле. В последних экспериментах с фотоядерным расщеплением возник вопрос: какими должны быть твердотельные мишени? С одной стороны, они должны содержать дейтерий, а с другой – эффективно генерировать гамма-кванты и 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 мишеней из дейтерида палладия оказалось очень эффективным для фотоядерных реакций, поскольку в этой системе гамма-кванты пространственно рождаются около атомов дейтерия. При моделировании взаимодействия сверхинтенсивных лазерных импульсов с мишенями рассчитывались 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. Это на восемь порядков превосходит максимальные плотности потоков существующих нейтронных источников.
Нейтроны очень важны во многих приложениях, например, для нейтронной спектроскопии. Они очень легко проникают в клетку и 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 кратковременный процесс, то, 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 и 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 андронный колайдер 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 они вполне подходят. В ближайшее время исследователи из Института общей физики РАН планируют проверить результаты моделирования на практике. ФИАН-Информ
адронный коллайдер
