Международное сотрудничество ОИВТ РАН в области физики
advertisement
Международное сотрудничество ОИВТ РАН в области физики высоких плотностей энергий В.Е. Фортов, Н.Е. Андреев, Б.Ю. Шарков I. Введение I.1. Экстремальные состояния вещества при воздействии интенсивных ионных и лазерных пучков на вещество В последние годы значительное внимание исследователей привлекает изучение состояния вещества с высокими концентрациями энергии и, как следствие, с высокими давлениями и температурами. Эти состояния вещества занимают на фазовой диаграмме область между холодным конденсированным состоянием и высокотемпературной плазмой Рис.1. Речь идет о значениях плотности от плотности твердой фазы до ее стократного значения и о температурах в диапазоне от 0,1 до 100 эВ, где вещество представляет собой неидеальную плазму, которой свойственно вырождение электронов и сильное межчастичное взаимодействие. 104 H -T phase diagram sphe rical compressions Hot Plasma 103 102 -T track for s un radiative ly heated foils = 101 100 0 1 = planar shocks plane tary core s Warm Dense Matter 10-1 low temperature condense matter 10-2 10-3 10-2 10-1 1 101 Density (g/cm3) 102 103 Рис.1. Фазовая диаграмма вещества. По оси абсцисс – температура в эВ. Эти исследования традиционно составляют основу работ, проводимых в ОИВТ РАН под руководством академика В.Е. Фортова, и являются важной частью международного сотрудничества с Исследовательским центром по ускорению тяжелых ионов в Дармштадте, Германия (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung). Проявляемый сейчас интерес к экстремальному состоянию вещества обусловлен, по крайней мере, двумя причинами. Во-первых, исследования плазмы с сильным межчастичным взаимодействием расширяют наши фундаментальные представления о веществе в природе, поскольку такая плазма является наиболее распространенным состоянием материи во Вселенной: до 98% материи (за исключением «темной материи», если она существует) – это астрофизические объекты с сильно ионизованным веществом высокой плотности. Кроме того, интерес к свехплотному состоянию вещества обусловлен рядом современных проблем планетарной физики и космологии. Примерами последнего направления являются исследования параметров экзопланет (таких, например, как экзопланеты в системе звезды мюЖертвенника), а также планет Солнечной системы - уравнений состояния льда (слои которого имеются на Уране и Нептуне), железа (ядро Земли), проблема металлизации водорода, важная для изучения структуры гигантских планет Юпитера и Сатурна. Во-вторых, совокупность проводимых исследований имеет большое практическое значение для таких областей как атомная энергетика, управляемый термоядерный синтез, оборонный комплекс, безопасность ядерных реакторов, синтез сверхпрочных материалов, технологии ядерных материалов, плазменные технологии и медицина. Известно, что физические свойства плазмы становятся простыми в двух предельных случаях: либо при сверхвысоких температурах, либо при сверхвысоких давлениях. При высоких температурах вещества и низкой плотности межчастичное взаимодействие невелико и можно применять модель квази-идеального газа Дебая-Хюкеля. Во втором случае внутренние уровни атомов сдавлены и становится возможным применение теоретической модели Томаса-Ферми. Для неидеальной плазмы с высокой плотностью и сравнительно невысокой температурой отношение энергии кулоновского взаимодействия частиц к термической энергии превышает 1. В такой плазме заряды сильно взаимодействуют, а электроны частично вырождены: ( e nee3 1; 2 2 ~ 1 – де Бройлевская длина волны электрона). Такая плазма mkT сложна для теоретического описания ввиду сложности учета коллективного взаимодействия в неупорядоченной среде и того обстоятельства, что электронная система занимает промежуточное положение между статистикой Больцмана и статистикой Ферми. Таким образом, в интересующей нас области фазовой диаграммы, теоретические модели находятся на границах применимости и эксперименты являются необходимым способом проверки теорий. Ключевой проблемой экспериментальных усилий является генерация в лаборатории состояний вещества с высокими плотностями энергии и с точно измеряемыми термодинамическими параметрами. Последние достижения в увеличении энергии, мощности и яркости пучков заряженных частиц, лазеров, генераторов Z-пинчей, открывают возможность создавать материю с экстремально высокой удельной плотностью энергии в лабораторных условиях. Новое поколение экспериментальных установок – «драйверов», способно обеспечивать плотность концентрации энергии в веществе более 1011 Дж/м3 и, как следствие этого, достичь температуры и давления вещества, существенно превосходящие уровни в 104 оК и 1Мбар. Подобные давления и температуры реализуются в ударно-волновых экспериментах с химическими ВВ, в подземных ядерных взрывах, а также в ядрах гигантских планет и в звездах. Таким образом, новые экспериментальные устройства открыли новые возможности для изучения в лаборатории физики явлений свойственных по масштабу астрофизическим объектам, генерируя в макроскопических количествах вещество с экстремальными термодинамическими параметрами. Примечательно, что экстремальное состояние вещества, достигнутое в лаборатории, соответствует состоянию материи Вселенной в первые секунды после Большого Взрыва. Эксперименты посвящены в основном фундаментальным проблемам измерения уравнений состояния веществ при сверхвысоких давлениях, плазменных фазовых переходов, критических точек металлов, аномальной проводимости, неконгруэнтных фазовых превращений, атомной физике при сильном межчастичном взаимодействии. Параллельно с развитием мощных установок-генераторов, революция в возможностях вычислительных средств сделала возможным компьютерное моделирование сложных процессов нелинейной динамики и коллективных процессов, характерных для лабораторной плазмы в экстремальных условиях, включая гидродинамическое движение, которое может существовать еще только в гигантских масштабах во Вселенной. Особое место среди мощных источников энергии - драйверов занимают релятивистские ускорители тяжелых ионов. Крупные ускорители действуют во многих лабораториях мира и хорошо известны как основной экспериментальный инструмент в исследованиях по ядерной физике, физике элементарных частиц, квантовой хромодинамике, физике сверхплотной ядерной материи, т.е. по направлениям, которые всегда были передним краем современного естествознания, расширяя основополагающие физические представления о Природе. При этом требовалось постоянное продвижение в область нарастающих энергий и увеличения фазовой плотности пучков ускоряемых частиц. Важно подчеркнуть, что для генерации плотной неидеальной плазмы современные ускорители обладают весьма привлекательными свойствами. Так было обращено внимание на то, что совокупная кинетическая энергия ускоренных и накопленных пучков ионов современных ускорителей уже сегодня составляет сотни килоджоулей, а созданный в ЦЕРН Большой Адронный Коллайдер - LHC будет иметь полную энергию пучка протонов ~300 МДж. Очевидно, что концентрация таких колоссальных энергетических потоков в малом объеме вещества в короткий промежуток времени, является весьма привлекательной задачей с точки зрения генерации экстремального состояния вещества в макроскопических объемах. Именно эти свойства интенсивных ионных пучков послужили основной мотивацией предложения, выдвинутого в начале 80-х годов ХХ века, использовать мощные ускорители тяжелых ионов для УТС с инерционным удержанием. Современные лазеры петаваттного уровня мощности также являются эффективным инструментом исследования экстремальных состояний вещества. Появившаяся с запуском в GSI петоваттного лазера PHELIX возможность использования в экспериментах совместного действия интенсивных ионных пучков и коротких (субпикосекундных) импульсов релятивистски-интенсивного лазерного изучения открывает новые возможности в исследовании фундаментальных свойств вещества. Исследования макроскопических термодинамических параметров вещества и коллективных явлениях в нем, возникающих при воздействии интенсивных ионных и лазерных пучков на вещество, привлекают внимание во многих странах. Изучение процессов взаимодействия быстрых тяжелых ионов и короткоимпульсного лазерного излучения с веществом в различных экстремальных термодинамических состояниях является актуальной темой экспериментальных и теоретических исследований в России, Германии, Франции, Великобритании, США и Японии. Совокупная поддержка данного направления исследований в мире со стороны правительственных организаций составляет сотни Млн. $ в год, позволяя задействовать наиболее современные ускорительные и лазерные установки. Работы в этой области занимают важное место в международном сотрудничестве ведущих лабораторий мира, тематически весомо представлены в ряде крупных международных конференций и симпозиумов, пользуются заслуженным интересом в среде молодого поколения физиков. Многолетнее плодотворное сотрудничество ОИВТ РАН, совместно с ИПХФ РАН и ИЭТФ, с Исследовательским центром по ускорению тяжелых ионов в Дармштадте, Германия (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), является примером таких активно развивающихся совместных исследований. I.2. Новые методы ускорения заряженных частиц Другим бурно развивающимся направлением международного сотрудничества ОИВТ РАН являются исследования в области разработки и реализации новых методов ускорения заряженных частиц. В настоящее время во многих лабораториях мира имеются мощные короткоимпульсные лазеры (с длительностью импульса L короче пикосекунды, L < 10-12 c), которые используются для исследования различных процессов и разработки многих приложений. Одним из таких приложений является создание на базе фемтосекундных лазеров нового поколения компактных лазерно-плазменных ускорителей электронов и ионов высоких энергий. Размеры современных ускорителей определяются напряженностью ускоряющего поля, которое составляет 107 108 В м-1 и ограничено пробоем в вакуумной ускоряющей системе. В этой связи уже давно обсуждается вопрос об ускорении частиц не в вакууме, а в плазме. В этом случае с одной стороны отсутствует ограничение, обусловленное пробоем, а с другой стороны напряженность электрического поля в релятивистской волне плотности заряда (фазовая скорость которой близка к скорости света) может достигать огромных величин. Действительно, простая оценка с помощью уравнения Пуассона позволяет связать эту напряженность с концентрацией электронов плазмы ne : E (ne[см-3])1/2 [В см-1], где = n / ne - безразмерная амплитуда плазменной волны (n - амплитуда колебаний плотности электронов). При плотности электронов ne = 1017 см-3 и = 0,3 напряженность ускоряющего поля в плазменной волне составляет 108 В см-1, что на два - три порядка превышает темпы ускорения в традиционных радиочастотных ускорителях. Схема одного каскада лазерно-плазменного ускорителя на кильватерной волне представлена на Рис. 2. Рис. 2. Схема одного каскада лазерно-плазменного ускорителя на кильватерной волне. Возможность использования лазеров для возбуждения релятивистских волн плотности заряда в разреженной плазме впервые начала обсуждаться в работе Т. Таджимы и Дж. Даусона (T. Tajima, J. Dawson) в 1979 году, где, однако, основное внимание было сосредоточено на резонансном методе возбуждения с помощью двухчастотного лазерного излучения умеренной интенсивности. Возможность использования высокоинтенсивных коротких лазерных импульсов, генерируемых современными лазерами, для возбуждения волн плотности заряда (так называемых кильватерных плазменных волн) привлекла к себе внимание и начала активно обсуждаться после публикации в 1987 г. работы Л.М. Горбунова и В.И. Кирсанова. Поле разделения зарядов, возникающее в результате выталкивания электронов пондеромоторной силой из области, занимаемой лазерным импульсом, вызывает за импульсом волну плотности заряда, фазовая скорость которой равна групповой скорости лазерного импульса. В разреженной плазме последняя весьма близка к скорости света и поэтому фазовая скорость кильватерной плазменной волны также близка к скорости света, что как раз и необходимо для эффективного ускорения релятивистских электронов. Уже первые эксперименты показали, что такая кильватерная волна действительно эффективно возбуждается коротким (субпикосекундным) лазерным импульсом и может ускорять электронные сгустки до высоких энергий в несколько десятков и сотен МэВ. Недавние успешные эксперименты, выполненные практически одновременно в различных лабораториях Европы и США, заставили даже скептиков отнестись со вниманием к возможности использования лазерноплазменных методов ускорения для физики высоких энергий. Так в 2004 году была продемонстрирована возможность получения квазимоноэнергетических сгустков электронов, ускоренных до энергии порядка 100 МэВ на длине в несколько миллиметров и обладающих малым эмиттансом (что важно как для использования таких сгустков в источниках жесткого излучения, так и для многостадийного ускорения для физики высоких энергий). Наиболее эффективно кильватерная плазменная волна генерируется лазерным импульсом в условиях резонанса, когда длительность импульса L близка к половине периода волны, т.е. когда c L p / 2 c / p / k p , где p = (4e2ne /m)1/2 - плазменная частота электронов kp - волновой вектор плазменной волны, с – скорость света. Приведенные выражения показывают, что напряженность ускоряющего поля растет при увеличении плотности плазмы и, соответственно, уменьшении длительности лазерного импульса, возбуждающего кильватерную волну. При этом, однако, следует иметь в виду, что в более плотной плазме уменьшается групповая скорость импульса и, соответственно, фазовая скорость кильватерной плазменной волны, что уменьшает возможную длину ускорения (и максимальный прирост энергии) релятивистского электрона из-за его более быстрого выхода из ускоряющей фазы волны. Так, например, для лазерного излучения с длиной волны L 1 мкм и плотности плазмы ne 1017 см-3 максимальная длина ускорения 1 м, что при темпе ускорения E ≈ 10 ГВ м-1 (при 0,3) отвечает максимальному приросту энергии ускоренных электронов max 6 ГэВ. При этом длительность лазерного импульса для резонансного возбуждения кильватерной волны должна быть порядка 100 фс. Основной трудностью на пути достижения таких параметров является необходимость поддержания на большой длине распространения (~ 1 м) высокой интенсивности лазерного импульса, которая для приводимого примера должна быть порядка 1018 Вт см-2. В отсутствии каких-либо механизмов оптического каналирования лазерного излучения длина распространения интенсивного лазерного импульса (и, соответственно, длина эффективного ускорения) ограничена дифракционной длиной, которая для реальных параметров лазеров тераваттного диапазона мощности (имея в виду необходимость достижения высокой интенсивности излучения) оказывается намного меньше максимальной длины ускорения. Поэтому для достижения энергий электронов ~ 1 - 10 ГэВ без каналирования лазерного импульса требуется увеличение его фокального пятна для увеличения дифракционной длины, что при сохранении высокой интенсивности требует петаваттного (1015 Вт) уровня мощности лазера. При использовании же каналированного распространения лазерного импульса необходимый уровень мощности может быть снижен более чем на порядок. Новое подтверждение теоретическим предсказаниям о важности каналированного распространения лазерного импульса для получения электронных сгустков Гиго-электрон-Вольтного (109 эВ) диапазона энергий было получено в 2006 году в Национальной лаборатории Беркли. Оптическое каналирование лазерного импульса для преодоления дифракционного расплывания возможно в результате его самофокусировки или при создании плазменного канала с минимумом плотности на оси, обеспечивающим волноводное распространение излучения. Весьма перспективным методом, обеспечивающим распространение интенсивных коротких лазерных (диффракционных) импульсов длин, на является десятки и сотни использование Рэлеевских диэлектрических газонаполненных капилляров, в которых плазма создается или разрядом, или в результате оптической ионизации газа самим лазерным импульсом, генерирующим кильватерную волну. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется изучению различных способов создания плазменных каналов и распространению в них коротких мощных лазерных импульсов, а также исследованию механизмов генерации и структуры кильватерных волн в газонаполненных капиллярах. Именно эти исследования, нацеленные на создание новых компактных ускорителей электронов с рекордными темпами ускорения, составляют основу международного сотрудничества ОИВТ РАН с Высшей политехнической школой во Франции (Ecole Polytechnique) и Парижским Университетом (Universite Paris Sud XI). II. Международное сотрудничество с GSI в исследованиях экстремальных состояний вещества Начиная с 1993 года, сотрудники ОИВТ РАН, ИПХФ РАН и ИТЭФ совместно с учеными из Научного центра GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung), расположенного в городе Дармштадт, Германия, проводят исследования экстремальных состояний, получаемых нагревом вещества с помощью интенсивных пучков тяжелых ионов. Рис. 3. GSI – Исследовательский центр по ускорению тяжелых ионов в Дармштадте Основными составными частями ускорительного комплекса в Дармштаде являются: универсальный линейный ускоритель UNILAC, синхротрон SIS-18 и экспериментальное накопительное кольцо ESR (Experimental Storage Ring). Данный комплекс по большинству параметров является лучшим ускорителем тяжелых ионов в мире. На нем проводятся исследования в области атомной физики, структуры ядер, ядерной материи, физики экстремальных состояний, радиационной физики, применения пучков ионов в медицине и т.п. Научное сотрудничество между ОИВТ РАН, ИПХФ РАН, ИТЭФ и GSI развивается на основе двусторонних и многосторонних соглашений и является частью широкого международного сотрудничества (Рис. 4). Исследования, проводимые в сотрудничестве с GSI в Дармштадте, включают как экспериментальные, так и теоретические работы. Основными направлениями сотрудничества являются исследования термодинамических, транспортных свойств, тормозной способности экстремальных состояний, расчетно-теоретическое моделирование взаимодействия пучков тяжелых ионов с веществом, разработка новых средств диагностики для планируемых экспериментов на строящемся международном ускорительном комплексе SIS 100/300 в рамках проекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). High Energy Density generated by Heavy Ion Beams 45 Institutions >170 scientists Рис. 4. Международное сотрудничество в области высоких плотностей энергий, генерируемых пучками тяжелых ионов. Проект FAIR является крупнейшим международным научным проектом на основе ESFRI Road Map (European Strategy Forum for Research Infrastructures). Проект нацелен на создание уникального комплекса ускорителей ионов, который будет построен в г. Дармштадте, Германия (на базе существующего научного ускорительного центра тяжелых ионов, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research), при участии 16 стран, включая Россию (Рис. 5). Проект FAIR даст возможность 3000 физиков и ученым других специальностей из Европы и других стран мира проводить фундаментальные исследования на самом современном уровне в различных областях науки, а также разрабатывать передовые технологии. Рис. 5. Международный ускорительный комплекс SIS 100/300 в GSI, Дармштадт, Германия, в рамках проекта FAIR. Основной целью «подготовительной фазы» проекта ("FAIR Preparatory Phase"), реализуемой осуществление компании с в настоящее строительства ограниченной время, ускорительного ответственностью является подготовка и комплекса, и в Германского рамках создание законодательства с иностранными акционерами, FAIR GmbH, которая будет субъектом права собственников проекта, и будет управлять новой исследовательской инфраструктурой «FAIR». Странами-участниками проекта являются: Австрия, Англия, Германия, Греция, Индия, Испания, Италия, Китай, Польша, Россия, Румыния, Словакия, Словения, Финляндия, Франция и Швеция. В результате подготовительной фазы и участия в реализации международного проекта диагностические методики FAIR будут разработаны и реализованы и созданы уникальные установки для фундаментальных исследований в передовых областях физики высоких плотностей энергий, структуры атомных ядер и антиматерии, физики плазмы и широкого круга приложений, включая реализацию инерциального управляемого термоядерного синтеза. В апреле 2008 года при исследовательском центре GSI был организован Международный институт для изучения вещества в экстремальных состояниях – ExtreMe Matter Institute (EMMI). Исследовательская программа EMMI в значительной степени нацелена на использование уникальной экспериментальной базы GSI: создаваемого ускорительного комплекса SIS 100/300 в рамках проекта FAIR и вступившего в строй в 2008 году петаваттного лазера PHELIX. Рисунки 6 и 7 иллюстрируют междисциплинарный характер направлений исследований EMMI и их взаимосвязь, а также международное сотрудничество в использовании крупнейших экспериментальных установок. Рис. 6. Направления научных исследований EMMI и их взаимосвязь. Рис. 7. Международное сотрудничество в использовании крупнейших экспериментальных установок в рамках EMMI. Первое совещание и семинар по физике взаимодействия интенсивных ионных и лазерных пучков с веществом, организованный в рамках EMMI Отделом физики плазмы GSI, ОИВТ РАН, ИПХФ РАН и ИТЭФ, было проведено в Дармштадте в ноябре 2008 (Рис. 8). Рис. 8. Участники первого совещания по физике взаимодействия интенсивных ионных и лазерных пучков с веществом, организованного в рамках EMMI Отделом физики плазмы GSI, ОИВТ РАН, ИПХФ РАН и ИТЭФ в ноябре 2008 г. Результатом успешного проведения этого совещания явился «Меморандум о сотрудничестве в исследованиях горячей и плотной плазмы и развитии в GSI и ОИВТ РАН физики пучковой и лазерной плазмы», подписанный 21 ноября 2008 г. между GSI, EMMI и ОИВТ РАН (Рис. 9-11). Семинары и совещания в рамках EMMI (EMMI Workshops on Plasma Physics with Intense Laser and Heavy Ion Beams), организуемые ОИВТ РАН и GSI, на которых обсуждаются планы и результаты совместных исследований, проводятся регулярно с 2008 года поочередно в Москве и Дармштадте. Важную роль в организации и проведении этих совещаний и семинаров, как и в целом Российско-Немецкого сотрудничества, играет старейший сотрудник GSI, организатор Отдела физики плазмы в GSI, проф. Рудольф Бок (см. Рис. 11). Рис. 9. Проф. В.Е. Фортов – директор ОИВТ РАН (в центре) подписывает Меморандум между GSI, EMMI и ОИВТ РАН 21 ноября 2008 г. На фото: проф. Х. Штокер (H. Stöcker) – директор GSI (слева), проф. БраунМюнцингер (P. Braun-Munzinger) – директор EMMI (справа); на заднем плане (слева, направо) проф. Р. Бок (R. Bock), О. Розмей (O. Rosmej), В.П. Ефремов, Н.Е. Андреев, С.И. Ашитков, И.В. Ломоносов. Рис. 10. Подписание Меморандума между GSI, EMMI и ОИВТ РАН. На фото (слева, направо): проф. Х. Штокер (H. Stöcker), проф. В.Е. Фортов, и проф. Браун-Мюнцингер (P. Braun-Munzinger). Рис. 11. Участники первого совещания по физике взаимодействия интенсивных ионных и лазерных пучков с веществом и подписания Меморандума между GSI, EMMI и ОИВТ РАН 21 ноября 2008 г. На фото (слева, направо): проф. П. Браун-Мюнцингер (P. Braun-Munzinger), проф. Р. Бок (R. Bock) и проф. В.Е. Фортов; на заднем плане (слева, направо): В.Б. Минцев и Т. Кюль (Th. Kuehl). ИПХФ и ОИВТ РАН ежегодно направляют в зарубежные командировки в Дармштадт 5-10 своих сотрудников и принимают около 5 ученых из GSI. Между институтами также осуществляется обмен научным оборудованием. За время сотрудничества выполнено более 10 совместных научных проектов финансировавшихся INTAS, ISTC (МНТЦ), DAAD, РФФИ-DFG, РФФИ - Обществом Гельмгольца. Результаты, полученные в этих проектах, опубликованы в более 60 совместных статьях в международных реферируемых журналах. Исследования, проводимые в GSI учеными из России, также финансово поддерживаются грантами Российской академии наук и госкорпорации Росатом. Одно из первых направлений совместных исследований в GSI измерение тормозных потерь тяжелых ионов в плотной плазме, генерируемой ударно-волновым сжатием газов при помощи энергии взрывчатых веществ на экспериментальной площадке Z-6 в GSI. Для диагностики тормозной способности использовалась времяпролетная методика и тяжелые ионы с начальной энергией в несколько МэВ на нуклон. Наносекундное временное разрешение ионов достигалось за счет применения стоп-детектора на основе микроканальной пластины. В экспериментах было зафиксировано возрастание энергетических потерь в плотной плазме по сравнению с холодным веществом в несколько раз. Другим активно развивающимся направлением совместных исследований является экспериментальное изучение термодинамических и транспортных свойств плотной плазмы и вещества в экстремальных состояниях, получаемых с помощью нагрева мишеней интенсивным пучком тяжелых ионов. Эти эксперименты проводятся на площадке HHT. Для нагрева мишеней обычно используется пучок ионов урана (U+73) с числом частиц до 4×109 имеющих энергию ~300-400 МэВ/н при длительности пучка менее микросекунды. Данные параметра пучка позволяют получать энерговклад в свинцовых мишенях на уровне 1 кДж/г. В экспериментах изучаются яркостная и цветовая температура, спектр излучения, динамика расширения образца, электропроводность, скорости движения поверхности образца и т.п. Были исследованы свойства свинца, вольфрама, тантала, диоксида урана, алюминия. Большие планы экспериментальных исследований связаны со строительством комплекса FAIR. Ожидается, что с вводом в эксплуатацию синхротрона SIS 100/300 энерговклад ионных пучков в вещество увеличится как минимум на два порядка. Это откроет для экспериментальных исследований широкую область фазовой диаграммы вещества, которая на данный момент не может быть достигнута традиционными средствами. Для обоснования и постановки экспериментов проводятся расчетно- теоретические исследования. На данный момент рассматриваются две схемы генерации экстремальных состояний - HIHEX и LAPLAS. Схема HIHEX (Heavy Ion Heating and EXpansion) состоит в квазиизохорном нагреве исследуемого образца пучком тяжелых ионов и последующем расширении в вакуум или буферный газ низкого давления. В схеме LAPLAS (LAboratory PLAnetary Science) планируется цилиндрическое сжатие легкого материала, например водорода, тяжелой оболочкой, нагреваемой полым пучком тяжелых ионов. High Energy Density experiments of HEDgeHOB collaboration HIHEX Heavy Ion Heating and Expansion LAPLAS Laboratory Planetary Sciences uniform quasi-isochoric heating of a largevolume dense targetisentropic expansion in 1D plane or cylindrical geometry Numerous high-entropy HED states: EOS and transport properties of e.g., non-ideal plasmas, WDM and critical point regions for various materials hollow (ring-shaped) beam heats a heavy tamper shell cylindrical implosion and low-entropy compression Mbar pressures @ moderate temperatures: high-density HED states, e.g. hydrogen metallization problem, interior of Jupiter and Saturn Рис. 12. Планируемые эксперименты в рамках сотрудничества HEDgeHOB: Studies on High Energy Density Matter with Intense Heavy Ion and Laser Beams at FAIR. WDM collaboration – Atomic physics in dense environments WDM produced by Intense Heavy Ion Beams and probed by Intense Laser Beams Unique combination of intense heavy ion beam driven experiments + PHELIX driven diagnostics High Power Laser PHELIX Рис. 13. Планируемые эксперименты с использованием комбинированного воздействия интенсивных ионных и лазерных пучков на вещество в рамках сотрудничества WDM: Warm Dens Matter. III. Международное сотрудничество в исследованиях новых методов ускорения частиц и взаимодействия лазерного излучения с веществом Исследования в области нелинейной динамики коротких интенсивных лазерных импульсов и генерации сверхсильных ускоряющих плазменных полей проводятся в ОИВТ РАН с конца прошлого века совместно с учеными Физического института им. П.Н. Лебедева и ведущими научными центрами Франции: Высшей политехнической школой - Ecole Polytechnique (EP), и Парижским Университетом - Universite Paris Sud XI (UPS). Эти работы ведутся при поддержке совместными грантами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и International Projects for Scientific Cooperation – PICS в соответствии с Соглашением о научном сотрудничестве с Национальным центром научных исследований Франции (НЦНИ) – Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). В ноябре 2005 года был подписан договор о сотрудничестве между ОИВТ РАН и лабораторией Физики газов и плазмы Парижского Университета (LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES GAZ ET DES PLASMAS À L’UNIVERSITÉ DE PARIS SUD/CNRS À ORSAY) в области фундаментальных исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом, новых лазерно-плазменных ускорителей и физики высоких плотностей энергии в веществе. В рамках этого успешно выполняющегося соглашения исследованы филаментационной важные устойчивости для многих приложений распространения вопросы сверхмощных (петаваттного уровня мощности) фемтосекундных лазерных импульсов, динамики и структуры ускоряющих кильватерных плазменных полей в капиллярах, оптимизации эффективности ввода энергии релятивистскиинтенсивных лазерных импульсов в волноводные структуры и разработаны новые методы оптической диагностики релятивистских кильватерных волн пространственного заряда. Многие теоретические предсказания уже нашли экспериментальное подтверждение в крупных центрах. европейских лазерных Рисунок 14 иллюстрирует схему экспериментов по возбуждению ускоряющих кильватерных полей в газонаполненных капиллярах длиной до 10 см с использованием мульти-тераваттной лазерной системы в международном лазерном центре г. Лунд (Швеция). Эти эксперименты проводились в рамках Европейского сотрудничества — New and Emerging Science and Technology Activity under the FP6 ‘Structuring the European Research Area’ programme (project EuroLEAP, contract 028514), участником которого является ОИВТ РАН. Laser plasma electron acceleration experiments - 2009 New Journal of Phys. 12, 045024 (2010) Phys. Rev. E 80, 066403 (2009) Рис. 14. Схема экспериментов в Международном лазерном центре г. Лунд (Швеция) по генерации кильватерных полей в газонаполненных капиллярах. Использованные в этих экспериментах новые методы оптической диагностики динамики распространения интенсивных лазерных импульсов и генерации кильватерных плазменных полей, разработанные в ОИВТ РАН совместно с французскими исследователями, позволили измерить ускоряющие кильватерные поля в диэлектрических капиллярах. Рисунок 15 демонстрирует хорошее соответствие результатов полномасштабного моделирования и спектральных измерений сдвига длины волны лазерного импульса в результате генерации кильватерной плазменной волны. Wave length shift (nm) 20 15 10 5 0 0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 Laser pulse energy (J) Рис. 15. Сдвиг длины волны лазерного импульса в зависимости от его энергии после распространения в капилляре длиной 70 мм наполненного водородом при давлении 40 мбар. Квадраты с погрешностями – результаты измерений, линия с окружностями – моделирование эксперимента. Полученные результаты продемонстрировали возможность регулярного ускорения электронов до энергий гигавольтного диапазона при каналированном распространении лазерного излучения на расстояния порядка десяти сантиметров. ОИВТ РАН является участником Российско-Французского Научного Объединения – D’UN GROUPEMENT DE RECHERCHE INTERNATIONAL (GDRI), созданного в 2010 году для проведения совместных исследований в области сверхсильных лазерных полей – ELISA (Extreme Light Infrastructure Support Action). С Французской стороны в это Объединение входит 10 лабораторий Национального центра научных исследований Франции (CNRS), Комиссариата по атомной энергии (CEA), ECOLE POLYTECHNIQUE (EP), Парижского Университета – Universite Paris Sud XI (UPS), ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE DE TECHNIQUES AVANCEES, (ENSTA), Института Оптики – INSTITUT d’OPTIQUE (IO) и Института Кюри – L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE (UPMC). Объединение включает такие крупные лазерные и ускорительные центры Франции, как Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), Laboratoire d’Utilisation des Lasers Intenses (LULI), Laboratoire de l’Interaction du rayonnement X Avec la Matière (LIXAM), Centre de Physique Théorique (CPhT), Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP), Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL). С российской стороны Объединение представлено восемью Институтами РАН, Московским Государственным Университетом, Московским Инженерно-физическим Институтом, Оптическим Институтом им. С.И. Вавилова и Российским Фондом Фундаментальных Исследований (РФФИ). Кроме ОИВТ РАН, в Объединение входят такие ведущие институты Российской Академии Наук, как Институт Прикладной Физики (ИПФ РАН), Физический Институт им. П.Н. Лебедева (ФИ РАН), Институт Общей Физики им. А.М. Прохорова (ИОФ РАН), Институт Лазерной Физики Сибирского Отделения РАН (ИЛФ СО РАН), Институт Прикладной Математики им. М.В. Келдыша (ИПМ РАН). Основной целью Объединения GDRI – ELISA является консолидация и координация исследований (как фундаментальных, так и технологических) Российских и Французских ученых в области сверхсильных полей, создаваемых лазерами нового поколения петаваттного (1 ПВт = 1015 Вт) и экзаваттного (1 ЭВт = 1018 Вт) уровня мощности. Первым этапом реализации проекта экзаваттного лазера является создание лазеров мощностью 5÷10 ПВт, которые строятся в Нижнем Новгороде (ИПФ РАН) и во Франции (лазер Apollon в Институте экстремальных световых потоков – Institut de la Lumière Extrême (ILE)). Лазер Apollon является прототипом одного из десяти рукавов экзаваттного лазера, который будет строиться в рамках Европейского проекта ELI (Extreme Light Infrastructure), координируемого Ж. Мороу (Gerard Mourou). В рамках проекта ELISA ОИВТ РАН совместно с ИПФ РАН и ФИ РАН им. П.Н. Лебедева (при участии с французской стороны ILE-CPHT, LLR, LPGP, LULI и LOA) разрабатывает вопросы лазерно-плазменного ускорения электронов и ионов до энергии 10-103 ГэВ (1 ГэВ = 109 эВ), оптимизации параметров лазера и мишеней для эффективного ускорения частиц высоких энергий и их применения для канцерной терапии и производства короткоживущих теоретического изотопов. анализа Предполагается и планирование также проведение экспериментов для фундаментальных исследований, которые будут проводиться в рамках Европейского проекта ELI (Extreme Light Infrastructure) для проверки базовых теоретических положений в таких областях как физика плазмы, астрофизика, ядерная физика и физика высоких энергий в ранее недостижимых условиях. Использование уникальных свойств пучков фотонов и частиц высоких энергий, генерируемых с помощью экзаваттного лазера, открывает субнанометровым перспективу разрешением изучения в структуры пространстве и вещества с аттосекуундным разрешением во времени. Основная литература 1. В.Е. Фортов, Экстремальные состояния вещества. – М. ФИЗМАТЛИТ. 2009. – 304 с. 2. В.Е. Фортов, Д. Хоффманн, Б.Ю. Шарков, Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества, УФН, т 178, №2, с. 113 – 138 (2008). 3. В.Е.Фортов, А.Г.Храпак, И.Т.Якубов, Физика неидеальной плазмы, – М.:Физматлит, 2004. 4. D.H.H.Hoffmann, V.E.Fortov, B.Yu.Sharkov et al., Phys. Scr. T123 (2006) 1-7, Frontiers of dense plasma physics with intense ion and laser beams and accelerator technology. 5. N.A.Tahir, C.Deutsch, V.E.Fortov, V.C.Gryaznov, D.H.H.Hoffmann I.V.Lomonosov, A.R.Piriz, R.Redmer,A.Shutov and D.Varentsov Contrib. Intense Heavy Ion beams as a tool to induce high-energy-density states in matter, Plasma Phys. 43, 5-6, 373-376 (2003). 6. Tahir, N.A., Piriz, A.R., Shutov, A., Varentsov, D., Udrea, S., Hoffmann, D.H.H., Juranek, H., Redmer, R., Portugues, R.F., Lomonosov, I., Fortov, V.E., The creation of strongly coupled plasmas using an intense heavy ion beam: low-entropy compression of hydrogen and the problem of hydrogen metallization, J. Phys.A, Math. Gen., Vol.36 (22), p.6129 (2003). 7. D.H.H.Hoffmann, V.E.Fortov, I.V.Lomonosov, V.B.Mintsev, N.Tahir, D.Varentsov, J.Wieser, Unique capabilities of an intense heavy ion beam as a tool for equation-of-state studies, Physics of Plasmas v9, 9, (2002). 8. D. Varentsov, P. Spiller, N.A. Tahir, D.H.H. Hoffmann, C. Constantin, E. Dewald, J. Jacoby, I.V. Lomonosov, U. Neuner, A. Shutov, J. Wieser, S. Udrea, and R. Bock, Laser and Part. Beams 20, 485-491 (2002). 9. S. Stoewe, U. Neuner, R.Bock, M. Dornik, V.E. Fortov, U.N. Funk, M. Geissel, S. Golubev, D.H.H. Hoffmann, M. Kulish, V. Mintsev, M. Roth, B. Sharkov, A. Shutov, P. Spiller, M. Stetter, W. Suess, N.A. Tahir, and A. Tauschwitz, Heavy Ion induced motion in lead targets, Laser and Particle Beams, 18,573-581 (2000). 10.Sharkov B "Status of heavy ion fusion" Plasma Phys. Control. Fusion 43 A229-A235 (2001). 11.B.Yu. Sharkov "Heavy-ion fusion activities at ITEP" Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 415 20 (1998). 12.N.A. Tahir, V. Kain, R. Schmidt, A. Shutov, I. V. Lomonosov, V. Gryaznov, A. R. Piriz, M. Temporal, D. H. H. Hoffmann, and V. E. Fortov et al. PRL 94, 135004 (2005). The CERN Large Hadron Collider as a Tool to Study High-Energy Density Matter. 13.Roudskoy I.V., Golubev A.A., Fertman A.D., Prokuronov M.V., Kantsyrev A.V.,Sharkov B.Yu., Turtikov V.I., Weyrich K., Gamma radiation measurements as a diagnostic tool of beam-induced dense plasmas, Laser and Particle Beams 23 (4), 2005, pp. 539-543. 14.N.E. Andreev, K. Cassou, F. Wojda, G. Genoud, M. Burza, O. Lundh, A. Persson, B. Cros, V.E. Fortov and C-GWahlstrom, Analysis of laser wakefield dynamics in capillary tubes, New Journal of Physics, 12, Focus issues: Laser- and beam-driven plasma accelerators 045024 (2010). 15.N.E. Andreev and S.V. Kuznetsov, Laser Wakefield Acceleration of Finite Charge Electron Bunches // IEEE Trans. on Plasma Sci., vol. 36, No.4. pp. 1765-1772, (2008). 16.N.E. Andreev, E.D. Campos, B. Cros, J. Godiot, L.M. Gorbunov, and G. Matthieussent, Beat-wave experiments in the micro-wave range: pump depletion, Journal de Physique IV, V.5, 75-78 (1995) 17.Андреев Н.Е., Горбунов Л.М. Лазерно-плазменное ускорение электронов //УФН. 1999. Т.169. № 1. С.53-56. 18.L.M. Gorbunov, P. Mora, R.R. Ramazashvili, and A.A. Solodov, Ion momentum driven by a short intense laser pulse in an underdense plasma, Phys. of Plasmas, V.7, No.6, pp.375-381 (2000) 19.N.E. Andreev, C. Courtois, B. Cros, L.M. Gorbunov, and G. Matthieussent, Nonlinear propagation of short intense laser pulses in a hollow metallic waveguide, Phys.Rev.E,v.64, 016404 (2001) 20.L.M. Gorbunov, P. Mora, and R.R. Ramazashvili, Steady ion momentum in nonlinear plasma waves, Phys. Rev. E, V.65, 036401 (2002) 21.B. Cros, C. Courtois, G. Matthieussent, A. Di Bernardo, D. Batani, N. Andreev, and S. Kuznetsov, Eigenmodes for capillary tubes with dielectric walls and ultraintense laser pulse guiding, Physical Review E, vol. 65, pp. 026405-1 – 026405-7 (2002) 22.N.E. Andreev, B. Cros, L.M. Gorbunov, G. Matthieussent, P. Mora, and R.R. Ramazashvili, Laser wakefield structure in a plasma column created in capillary tubes, Phys. of Plasmas, V.9, No.9, pp.3999-4009 (2002) 23.L.M. Gorbunov, P. Mora, and R.R. Ramazashvili, Laser surface wakefield in a plasma column, Phys. of Plasmas, V.10, No.11, pp.4563-4566 (2003) 24.B. Cros, C. Courtois, J. Godiot, G. Matthieussent, J.-R. Marques, P.-G. David, F. Amiranoff, N.E. Andreev, L.M. Gorbunov, P. Mora, and R.R. Ramazashvili, Laser guiding for high energy plasma accelerators, Physica Scripta, V.107, pp.125-135 ( 2004) 25.N.E. Andreev, M.V. Chegotov, B. Cros, P. Mora, G. Vienx, Spectral diagnostics of laser wakefield in capillary tubes, Phys. Plasmas, 13, 053109 (2006). 26.M. Veysman, B. Cros, N. Andreev, G. Maynard, Theory and simulation of short intense laser pulse propagation in capillary tubes with wall ablation, Phys. Plasmas, 13, 053114 (2006). 27.N.E. Andreev, L.M. Gorbunov, P. Mora, R.R. Ramazashvili, Filamentation of ultrashort laser pulses propagating in tenuous plasmas, Phys. Plasmas 14, 083104 (2007). 28.B. Cros, N.E. Andreev, M.V. Chegotov, P. Mora, G. Vieux, Diagnostics for guided laser plasma wakefield, International Journal of Modern Physics B, Vol. 21, Nos. 3-4 548-558 (2007). 29.G. Maynard, F. Lambert, N. Andreev, B. Robillar, A. Boudaa, J. Clerouin, B. Cros, A. Lenglet, T. Mocek, and S. Sebban, Determination of the Ion Temperature in a Plasma Created by Optical Field Ionization, Contrib. Plasma Phys. 47, No. 4–5, 352–359 (2007). 30.Nikolay E. Andreev, Brigitte Cros, Gilles Maynard, Patrick Mora, and Franck Wojda, Coupling Efficiency of Intense Laser Pulses to Capillary Tubes for Laser Wakefield Acceleration // IEEE Trans. on Plasma Sci., vol. 36, No.4. pp. 1746-1750 (2008). 31.F. Wojda, K. Cassou, G. Genoud, M. Burza, Y. Glinec, O. Lundh, A. Persson, G. Vieux, E. Brunetti, R.P. Shanks, D. Jaroszynski, N. E. Andreev, C.-G. Wahlstrom, and B. Cros Laser-driven plasma waves in capillary tubes, Phys. Rev. E 80, 066403 (2009). 32.N E Andreev, S V Kuznetsov, B Cros, V E Fortov, G Maynard and P Mora, Laser wakefield acceleration of supershort electron bunches in guiding structures, Plasma Phys. Control. Fusion, 52 (2010).