Evolution of high energy density in plasma formed upon irradiation of steel foils by ultrarelativistic femtosecond laser pulses

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Results of the particle-in-cell simulation that illustrate evolution of parameters of laser-produced plasma formed upon irradiation of steel foils with a thickness of 1–5 µm by femtosecond laser pulses with intensity of ≥5×1021 W/cm2 are presented. Analytical estimates for analysis of energy dissipation in a foil of finite thickness are obtained. Numerical simulations are compared with the results of the recent experiment in which diagnostics of plasma parameters was carried out by methods of X-ray spectroscopy. The results of simulation agree with the experimental results and confirm that a microscopic-sized plasma source with energy density exceeding 1 GJ/cm3 and lifetime of about 500 fs can be formed as a result of action of high-contrast femtosecond laser pulses of ultrarelativistic intensity. In addition, simulations demonstrate that a plasma source with a volume of ∼1 µm3 and lifetime of ∼5 light periods that has parameters close to those existing inside the Sun, i.e., the temperature of ∼1–3 keV and energy density of ≥10 GJ/cm3 (pressure of ≥100 Gbar), can be formed under the same parameters of the experiment.

About the authors

M. V Sedov

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI

Email: sedov_max@mail.ru
Moscow, Russia

M. A Alkhimova

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI

Email: kf88mephi@yandex.ru
Moscow, Russia

S. S Makarov

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI

Moscow, Russia

References

  1. Fortov V.E. Extreme States of Matter High Energy Density Physics / Springer Series in Materials Science. Springer, 2016. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-18953-6
  2. Belashchenko D.K., Ostrovskii O.I. // Russian J. Physical Chemistry A. 2011. V. 85. P. 967. https://doi.org/10.1134/S0036024411060094
  3. Militzer B., Soubiran F., Wahl S.M., Hubbard W. // J. Geophys. Res.: Planets. 2016. V. 121. P. 1552. https://doi.org/10.1002/2016JE005080
  4. Militzer B., Hubbard W.B., Vorberger J., Tamblyn I., Bonev S.A. // Astrophys. J. 2008. V. 688. P. L45. https://doi.org/10.1086/594364
  5. Фортов В.Е. Уравнения состояния вещества. От идеального газа до кварк-глюонной плазмы. М: Физматлит, 2013.
  6. Potekhin A.Y. // Uspekhi Fizicheskih Nauk. 2010. V. 180. P. 1279. https://doi.org/10.3367/UFNr.0180.201012c.1279
  7. Colvin J. Extreme Physics. Cambridge University Press, 2013.
  8. Levko D., Raja L.L. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. P. 013509.
  9. Nora R., Theobald W., Betti R., Marshall F.J., Michel D.T., Seka W., Yaakobi B., Lafon M., Stoeckl C., Delettrez J. et al. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. P. 045001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.045001
  10. D¨oppelner T., Hinkel D.E., Jarrott L.C., Masse L., Ralph J.E., Benedetti L.R., Bachmann B., Cellers P.M., Casey D.T., Divol L. et al. // Phys. Plasmas. 2020. V. 27. P. 042701. https://doi.org/10.1063/1.5135921
  11. Spaeth M.L., Manes K.R., Kalantar D.H., Miller P.E., Heebner J.E., Bliss E.S., Spec D.R., Parham T.G., Whitman P.K., Wegner P.J. et al. // Fusion Sci. Technol. 2016. V. 69. P. 25. https://doi.org/10.13182/FST15-144
  12. Korzhimanov A.V., Sladkov A.D., Golubev S.V. // Bulletin Lebedev Physics Institute. 2023. V. 50. P. S884. https://doi.org/10.3103/S106833562320006X
  13. Laso Garcia A., Yang L., Bouffetier V., Appel K., Baehtz C., Hagemann J., H¨oppner H., Humphries O., Kluge T., Mishchenko M. et al. // Nature Communications. 2024. V. 15. P. 7896. https://doi.org/10.1038/s41467-024-52232-6
  14. Kraus B.F., Gao L., Hill K.W., Bitter M., Efthimion P.C., Gomez T.A., Moreau A., Hollinger R., Wang S., Song H., Rocca J.J., Mancini R.C. // Phys. Rev. Lett. 2021. V. 127. P. 205001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.205001
  15. Шелковенко С.А., Пикуз Т.А., Мишин С.А., Мингалеев A.P., Тиликин И.Н., Кнапп П.Ф., Кахилл А.Д., Хойт К.Л., Хаммер Д.А. // Физика Плазмы. 2012. Т. 38. С. 395.
  16. Ong J.F., Ghenuche P., Turcu I.C.E., Edmond I.C., Pukhov A., Tanaka K.A. // Phys. Rev. E. 2023. V. 107. P. 065208. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.107.065208
  17. Beiersdorfer P. // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 2003. V. 41. P. 343. https://doi.org/10.1146/annurev.astro.41.011802.094825
  18. Oks E., Dalimier E., Faenov A.Y., Angelo P., Pikuz S.A., Tubman E., Butler N.M.H., Dance R.J., Pikuz T.A., Skobelev I.Yu. et al. // Optics Express. 2017. V. 25. P. 1958. https://doi.org/10.1364/OE.25.001958
  19. Alkhimova M., Skobelev I., Pikuz T., Ryazantsev S., Sakaki H., Pirozhkov A.S., Esirkepov T.Zh., Sagisaka A., Dover N.P., Kondo K. et al. // Matter and Radiation at Extremes. 2024. V. 9. P. 067205. https://doi.org/10.1063/5.0212545
  20. Tranchant V., Charpentier N., Van Box Som L., Ciardi A., Falize E. // Astrophys. J. 2022. V. 936. P. 14. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac81b8
  21. Tahir N.A., Bagnoud V., Neumayer P., Piriz A.R., Piriz S.A. // Sci. Reps. 2023. V. 13. P. 1459. https://doi.org/10.1038/s41598-023-28709-7
  22. Arber T.D., Bennett K., Brady C.S., Lawrence-Douglas A., Ramsay M.G., Sircombe N.J., Gillies P., Evans R.G., Schmitz H., Bell A.R., Ridgers C.P. // Plasma Phys. Controlled Fusion. 2015. V. 57. P. 113001. https://doi.org/10.1088/0741-3335/57/11/113001

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».