Ядерная фотоника. Эксперименты на фемтосекундной лазерной установке МЛЦ МГУ
В настоящее время работы в ЛФЯР по новому научному направлению "Ядерная фотоника" ведутся в совместных экспериментах на базе фемтосекундного лазерного комплекса тераваттной мощности МЛЦ МГУ им. М.В.Ломоносова. Ключевыми словами, определяющими суть этого направления, являются гамма источники нового поколения, которые, благодаря своим уникальным параметрам, позволяют решать ряд важных фундаментальных и прикладных задач.
Впервые гамма пучки, обладающие достаточно высокой энергией (несколько сотен МэВ), монохроматичностью на уровне 1 %, интенсивностью до 10 МГц, степенью поляризации, близкой к 100 %, были получены и использованы в совместных фотоядерных экспериментах (ИЯИ РАН и ИЯФ СО РАН) на накопителях электронов ВЭПП-3 и ВЭПП-4 в Новосибирске около 30 лет тому назад. При этом использовался метод обратного комптоновского рассеяния лазерных фотонов на электронах накопителя. Затем этот метод получил распространение в Европе (проект GRAAL на накопителе электронов ESRF), США (установка LEGS), Японии (коллаборация LEPS) и др.
В последние годы гамма источники нового поколения стали создавать на базе мощных импульсных лазеров, благодаря чему собственно и появился термин "Ядерная фотоника". Первая научная конференция, где этот термин был озвучен, состоялась в Японии в 2014 году (Nuclear Physics and Gamma-ray sources for Nuclear Security and Nonproliferation" (NPNSNP) "Tokai-mura, Japan). Как видно из названия этой конференции, основное внимание на ней уделялось проблемам обеспечения ядерной безопасности с помощью гамма интроскопии. Теперь конференции под названием "Ядерная фтоника" стали регулярными и проводятся раз в два года (Nuclear Photonics, Monterey, USA, 2016, Bresow, Romania, 2018).
Основные задачи, которые решаются на импульсных лазерных установках, частично перекрываются с теми, что реализуются на электронных накопителях, но все же имеют свою специфику, связанную с высокой импульсной мощностью пучка, и соответственно, с очень низким коэффициентом заполнения пучка (duty-cycle). На фемтосекундной лазерной установке МЛЦ МГУ ведутся эксперименты по созданию импульсных источников релятивистских электронов, позитронов, гамма квантов и нейтронов для их последующего использования в различных фундаментальных и прикладных исследованиях.
В ИЯИ РАН совместно с МГУ им. М.В.Ломоносова ведутся эксперименты по исследованию генерации рентгеновского и гамма излучения, а также ускорения электронов под действием фемтосекундных тераваттных лазерных импульсов. Параметры установки: длина волны 800 nm, длительность импульса 50 fs, частота повторения импульсов 10 Hz, энергия в импульсе 50 mJ, диаметр фокуса 4 mm. Интенсивность лазерного излучения на мишени 1019W/cm2, Квазитемпература пучка электронов ~1 МэВ.
Показано, что основным процессом генерации таких пучков является захват и ускорение электронов лазерным полем. Измерение параметров пучков в каждом лазерном выстреле проводилось с помощью магнитного спектрометра и сцинтилляционного детектора LANEX, а также детектора Medipix. Полученные пучки релятивистских электронов использованы для изучения фоторасщепления бериллия и дейтерия с регистрацией образующихся нейтронов в около пороговой области энергий.
Рис. Спектры электронов, измеренные на лазерно-плазменном источнике при мощности лазера 1018 W/cm2, 5 x 1018 W/cm2, и 1019 W/cm2 (кривые 1-3, соответственно). Кривая 4 соответствует результатам моделирования по программе 2D3V PIC при мощности лазера 5 x 1019 W/cm2.
