Бухарский Н.Д., Корнеев Ф.А. «Исследование сильно замагниченной релятивистской плазмы в контексте лабораторной астрофизики и управления потоками частиц» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 289-296 (2023)

Рассмотрен один из наиболее эффективных методов лазерной генерации сильно замагниченной горячей плазмы при использовании сверхмощного облучения, достижимого на перспективной установке XCELS. Показано, что использование нескольких импульсов установки позволяет управлять параметрами плазмы. При этом энергетическая эффективность, т. е. отношение энергии магнитного поля к полной энергии лазерного излучения, оказывается ∼20%. Полученная система с релятивистскими замагниченными электронами и магнитными полями до нескольких десятков кТл представляет интерес для лабораторных исследований высокоэнергетичных процессов в астрофизике, в частности явления релятивистского пересоединения магнитных силовых линий, а также для различных перспективных приложений, например, для управления потоками быстрых лазерно-ускоренных частиц.

Сладков А.Д., Коржиманов А.В. «Релятивистское магнитное пересоединение в сталкивающихся плазменных облаках, сгенерированных несколькими сверхмощными лазерными импульсами» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 297-301 (2023)

Проанализирована возможность создания условий для наблюдения релятивистского магнитного пересоединения при использовании двух лазерных импульсов проектируемой установки XCELS. Необходимые условия предполагается создать в схеме, в которой замагниченные потоки плазмы генерируются на задней поверхности тонких твердотельных мишеней за счёт пучков энергетичных электронов, вбрасываемых в глубь мишени полями лазерного импульса и формирующих сильный ток на оси симметрии системы. Показано, что в этом случае возможно получение сгустков плотной плазмы с относительно невысокой (порядка нескольких мегаэлектронвольт) температурой и вмороженным магнитным полем порядка десятков килотесл, так что параметр замагниченности составит несколько единиц.

Коржиманов А.В., Сладков А.Д., Голубев С.В. «Достижение давления более 1 Гбар в мишенях твердотельной плотности при торможении лазерно-ускоренных ионов» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 302-306 (2023)

Для параметров лазерных импульсов, которые планируется получить на установке XCELS, проанализирована возможность генерации вещества с высокой плотностью энергии при торможении протонов, ускоренных лазерно-плазменным методом, в слое вещества с высоким зарядом – золота. Показано, что в этом случае возможно образование вещества с рекордными значениями давления более 1 Гбар при твердотельной плотности, что соответствует удельному энерговыделению на уровне десятков МДж/г. Особенностью процесса торможения при столь высоком удельном энерговыделении является то, что свойства тормозящего вещества меняются в процессе взаимодействия. Продемонстрировано, что кратность ионизации ионов золота достигает 40–50, а температура образующейся в результате плазмы – 1 кэВ. Это приводит к снижению тормозящих способностей вещества и к модификации кривой удельного энерговыделения.

Дмитриев Е.О., Корнеев Ф.А. «Взаимодействие лазерного импульса с плазмой в условиях нарушенной аксиальной симметрии» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 307-312 (2023)

Нелинейное взаимодействие интенсивных лазерных импульсов с веществом может приводить к возбуждению самосогласованного движения зарядов и генерации магнитного поля, остающегося в плазме после прекращения лазерного воздействия. Одним из способов индуцировать азимутальные токи в заданном направлении является внесённое в систему нарушение аксиальной симметрии. Рассмотрено два способа создания выделенного направления движения зарядов при взаимодействии, один из которых связан со структурой мишени, а второй – со структурой самого импульса. Для случая сверхмощных мультипетаваттных фемтосекундных лазерных импульсов, соответствующих установке XCELS, приведены оценки характерных параметров, согласно которым индукция аксиальных магнитных полей может достигать десятков кТл в микрокапиллярных структурированных мишенях, а в случае взаимодействия структурированных импульсов с однородной плазмой аксиальное магнитное поле порядка десятков Тл может занимать область диаметром в сотни микрометров. Предложены схемы соответствующих экспериментов, обсуждаются возможные приложения

Серебряков Д.А., Костюков И.Ю. «Формирование сильного квазистатического электрического поля при облучении интенсивными лазерными импульсами мишени со сферической микрополостью» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 313-318 (2023)

Численно исследован коллапс сферической микрополости в плазменной мишени при симметричном облучении ее интенсивными лазерными импульсами. Рассмотрены конфигурации с 2, 4 и 8 лазерными импульсами. Продемонстрировано формирование квазистатического сильного электрического поля в центре полости в результате коллапса. Показано, что 8-импульсная конфигурация является наиболее оптимальной с точки зрения роста концентрации ионов в центральном сгустке и роста амплитуды электрического поля, а переход от 2-импульсной к 8-импульсной конфигурации приводит к 1.5-кратному росту амплитуды поля при сохранении суммарной энергии лазерных импульсов. Оценки показывают, что для параметров установки XCELS в 8-импульсной конфигурации можно ожидать максимальной амплитуды электрического поля 1.61·10¹⁴ В/см или 1.2% от поля Швингера.

Гуськов С.Ю., Корнеев Ф.А. «Исследования ядерных реакций в микроразмерных мишенях, обеспечивающих генерацию сверхсильных квазистационарных полей под действием лазерного излучения» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 319-325 (2023)

Представлены схемы, обеспечивающие благоприятные условия для протекания и исследования реакций синтеза лёгких ядер в микроразмерных мишенях при использовании одного или нескольких мультипетаваттных лазерных импульсов. Особенностью рассмотренных мишеней является их способность генерировать сверхсильные магнитные или электрические квазистационарные поля, недостижимые другими методами. Магнитные поля, возбуждаемые в мишенях типа ''улитка'', позволяют не только существенно подавить электронную теплопроводность, но и в некоторых случаях удерживать заряженные продукты реакции. Электрические поля, генерируемые в сферических или цилиндрических микрополостях, позволяют осуществить имплозивное сжатие вещества до твердотельного уровня плотности при нагреве до десятков и сотен кэВ. Приведены оценки, показывающие возможность создания с помощью рассмотренных схем сверхъярких источников вторичных частиц

Шуляпов С.А., Заворотный А.Ю., Савельев А.Б. «Спектроскопия метастабильных и изомерных ядер с помощью многопучковых мультипетаваттных лазеров» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 326-329 (2023)

Обсуждаются перспективы применения мощных лазерных систем для задач ядерной фотоники. На примере структуры ядерных уровней изотопа криптона ⁸³Kr, имеющего два изомерных состояния с энергиями 9.4 и 41.6 кэВ, описывается возможность их непрямого возбуждения через высоколежащие короткоживущие уровни с использованием высокоэнергетического излучения лазерной плазмы. Показано, что сечение фотовозбуждения уровня 9.4 кэВ гамма-квантами с экспоненциальным распределением по энергиям увеличивается более чем в 100 раз при увеличении температуры распределения с 50 кэВ до 1 МэВ и постоянной амплитуде. Проводятся оценки выхода реакций фотовозбуждения изомерных уровней ⁸³Kr излучением плазмы, создаваемой лазерной системой петаваттного уровня, для нескольких температур электронного пучка и толщины тормозного конвертера гамма-излучения.

Попруженко С.В., Тюрин Д.И. «Поиск коллективного туннельного эффекта при ионизации Li-подобных ионов высокой кратности двумя лазерными пучками экстремальной интенсивности» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 330-333 (2023)

Приведены оценки вероятности одновременного туннелирования двух электронов из многозарядных Li-подобных ионов в лазерном поле высокой интенсивности. Показано, что для атомов с зарядом ядра Z_m>>1 вероятность в единицу времени коллективного туннелирования пары электронов 2s – 1s может более чем на порядок превышать вероятность отрыва 1s-электрона. Это создает благоприятные условия для поиска коллективного туннельного эффекта при ионизации тяжелых, многократно заряженных ионов. Относительные вклады последовательного и коллективного каналов ионизации можно разделить, используя двухпучковую схему эксперимента. Учитывая, что для наблюдения эффекта необходимы интенсивности, превышающие 10²¹ Вт/см² в одном из пучков, предлагаемая схема эксперимента по поиску коллективного туннельного эффекта требует использования лазерных импульсов экстремальной мощности, получение которой планируется, в частности, на установке XCELS.

Попруженко С.В. «Релятивистский туннельный эффект при ионизации многозарядных ионов в мультипетаваттных лазерных пучках» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 334-337 (2023)

Обсуждается возможность наблюдения релятивистского туннельного эффекта при ионизации многозарядных ионов тяжелых атомов в поле мультипетаваттных лазерных пучков. Получена приближенная аналитическая формула, позволяющая оценить изменение скорости ионизации глубоких уровней под действием сильного квазистатического электромагнитного поля в условиях, близких к насыщению. Показано, что зеемановский сдвиг уровней и релятивистское искривление подбарьерной траектории электрона в магнитном поле лазерной волны приводят к близким по величине поправкам к вероятности ионизации. Эти поправки становятся значительными только при интенсивностях лазерного излучения не менее 2·10²³ Вт/см², достижение которых ожидается на лазерных установках мультипетаваттного уровня мощности, включая установку XCELS. Обсуждается принципиальная схема экспериментального наблюдения отклонения скорости ионизации от значений, предсказываемых нерелятивистской теорией.

Вайс О.Е., Иванов К.А., Цымбалов И.Н., Бухарский Н.Д., Быченков В.Ю., Корнеев Ф.А., Савельев А.Б. «Диагностика экстремального света» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 338-344 (2023)

Генерация мощных коротких лазерных импульсов ультрарелятивистской интенсивности (свыше 10²⁰ Вт/см²) с использованием инфраструктуры XCELS и их применение для решения задач лазерно-плазменного взаимодействия и ускорения заряженных частиц, а также задач квантовой электродинамики требуют корректной диагностики параметров лазерного импульса в области взаимодействия при его острой фокусировке. Предлагается подход к измерению ключевых параметров XCELS-пучка, таких как его размер в каустике и пиковая интенсивность лазера. Предлагаемый метод основан на использовании процесса вакуумного ускорения заряженных частиц – электронов и протонов – из фокального объёма. При использовании распределения полей лазерного импульса вблизи его фокуса с помощью дифракционных интегралов Стрэттона–Чу и метода пробных частиц характеристики ускоренных электронов и ионов могут быть определены количественно строго (например, энергии ускоренных частиц и углы их вылета). Последнее, позволяет предложить практически доступный экспериментальный метод диагностики излучения в отдельном лазерном выстреле и дизайн XCELS-эксперимента.

Рязанцев С.Н., Пикуз С.А., Корнеев Ф.А. «Рентгеноспектральная диагностика сверхсильных магнитных полей в ультрарелятивистской лазерной плазме» Квантовая электроника, 53, № 4, с. 345-350 (2023)

Под действием лазерного излучения ультрарелятивистской интенсивности на микроструктурированные мишени может формироваться вещество в экстремальном состоянии – с плотностью, близкой к твердотельной, и сверхсильными магнитными полями. Экспериментальная диагностика таких полей оптическими методами оказывается невозможной в силу высокой плотности и самоизлучения плазмы, поэтому более актуальными становятся рентгеноспектральные методы. В работе рассмотрены особенности методики такой диагностики сверхсильных магнитных полей, основанной на анализе формы профилей спектральных линий, испускаемых многозарядными ионами плазмы. В качестве примера рассмотрены мишени со структурой, сформированной регулярными столбиками вещества микронного размера, облучаемые лазерными импульсами с параметрами, соответствующими импульсам перспективной строящейся установки XCELS.