About institute

• About LPI
• Directorate
• Departments
• Contacts

Scientific Activity

• Conferences
• Periodicals

1. Быченков В.Б., Брантов А.В. , Говрас Е.А., Ковалев В.Ф.
   Лазерное ускорение ионов: новые результаты, перспективы применения УФН, т. 185, N1, стр. 77, (2015)
   аннотация

   
   Дается краткий обзор недавних результатов теории и численного моделирования по ускорению ионов из различных мишеней, облучаемых мощными фемтосекундными лазерными импульсами. Представленные результаты включают оптимизацию лазер-плазменного ускорения ионов по толщине твердотельной мишени; новую зависимость энергии протонов, ускоренных из полупрозрачной фольги, от энергии падающего импульса; теоретическую модель разлета плазменного слоя в вакуум для заданной температуры нагретых электронов, охватывающую произвольный режим ускорения частиц от квазинейтрального растекания плазмы до кулоновского взрыва; аналитические теории релятивистского кулоновского взрыва сферической микро-мишени и радиального пондеромоторного ускорения ионов из лазерного канала в прозрачной плазме; результаты оптимизационных расчетов по наработке изотопов для медицины с помощью лазеров следующего поколения.
   

1. K. A. Ivanov, S. A. Shulyapov, P. A. Ksenofontov, I. N. Tsymbalov, R. V. Volkov, A. B. Savel’ev, A. V. Brantov, V. Yu. Bychenkov, A. A. Turinge, A. M. Lapik, A. V. Rusakov, R. M. Djilkibaev, and V. G. Nedorezov3
   Comparative study of amplified spontaneous emission and short pre-pulse impacts onto fast electron generation at sub-relativistic femtosecond laser-plasma interaction Physics of Plasmas, vol. 21, pp. 093110, (2014)
   аннотация

   
   This paper describes the study of hot electron generation under the action of intense (10^18 W/cm^2) femtosecond pulses onto the surface of a solid target, in the presence of a long pre-plasma, which varied with different spatial extents and densities. The corona was formed by pre-pulses with varied intensities and temporal profiles (amplified spontaneous emission (ASE) and short pre-pulses). The most efficient fast electron acceleration, to energies well beyond the ponderomotive potential, was observed if the ASE was able to form to the extent of 100 mkm a slightly undercritical plasma. Energy of accelerated electrons underwent further growth if the laser pulse duration increased from 45 to 350 fs at constant energy fluence. The experimental results were supported by numerical simulations using 3D3V Mandor PIC code.
   
2. V. Yu. Bychenkov, A. Brantov, G. Mourou
   Tc-99m production with ultrashort intense laser pulses Laser and Particle Beams, vol. 32, pp. 605, (2014)
   аннотация

   
   The interaction of a relativistic short laser pulse with thin foil is studied using 3D PIC simulations in the context of optimized high-energy proton generation for nuclear medicine and pharmacy. As an example, we analyze the Tc-99m yield from the Mo-100(p,2n)Tc-99m reaction with the International Coherent Amplification Network (ICAN) concept defined by a 10 J pulse energy and 10 kHz repetition rate. Based on 3D PIC simulation it has been demonstrated that normally incident 100 fs laser pulse with maximum intensity of 5 × 10^21 W/cm^2 is able to generate 10^11 protons with energy upto 45 MeV from thin semi-transparent CH2 target. Such laser-produced proton beam after 6 hours bombardment of the thick metallic Mo-100 target gives around 300 Gbq activities of Tc-99m isotope. This gives reason to believe that laser technology for producing technetium is possible with ICAN concept to replace the traditional scheme through the fission of weapons-grade uranium.
   
3. А. В. Брантов, В. Ю. Быченков
   Нелокальный перенос в горячей плазме. Часть 2. Физика плазмы, т. 40, N7, стр. 591-655, (2014)
   аннотация

   
   Представлена вторая часть обзора, первая часть которого опубликована ранее (Физика плазмы, 2013, т. 39, No 9, с. 786–836). Описывается широкий круг электромагнитных явлений в лазерной плазме в условиях нелокального переноса, требующих кинетического рассмотрения; среди них: нелокальный перенос в плазме в магнитном поле, поглощение и проникновение лазерного излучения в плотную плазму, нелокальные эффекты обратнотормозного нагрева и пондеромоторного взаимодействия, плазменные флуктуации спеклованного лазерного пучка, распространение лазерного пучка и параметрические неустойчивости в малоплотной плазме, ионно звуковая неустойчивость обратного тока. Значительная часть представленных результатов применима для произвольных соотношений между характерными пространственными и временными масштабами плазмы, что существенно продвигает представления о лазерно плазменном взаимодействии в горячей плазме по сравнению с традиционными теориями бесстолкновительной либо сильностолкновительной плазмы.
   

1. E. d’Humie`res, A. Brantov, V. Yu. Bychenkov, and V. T. Tikhonchuk
   Optimization of laser-target interaction for proton acceleration Physics of Plasmas, vol. 20, pp. 023103, (2013)
   аннотация

   
   The aim of this study is to optimize the characteristics, in particular, the maximum energy and the number of high energy protons accelerated by a high intensity laser from different targets by using two- and three-dimensional particle-in-cell simulations. Two principal ways are considered to increase the maximum proton energy: (1) the use of an optimized target design (by choosing its atomic composition, density, structure, thickness, and transverse size); (2) variation of the laser pulse parameters (duration, power, intensity, focal spot size, polarization, pulse shape, etc.). Our analysis demonstrates a possibility to accelerate protons to the energies exceeding 200 MeV with 20 J laser pulses with appropriately chosen focusing and duration.
   
2. А. В. Брантов, В. Ю. Быченков
   Нелокальный перенос в горячей плазме (часть I) Физика плазмы, т. 39, N9, стр. 786-836, (2013)
   аннотация

   
   Проблема описания переноса заряженных частиц в горячей плазме, когда отношение длины свободного пробега электронов к градиентной длине не очень мало, является одной из ключевых проблем физики плазмы. Однако до сих пор ощущается дефицит системного изложения современного состояния этого вопроса, который в большинстве работ формулируется как проблема нелокального переноса. Настоящим обзором мы восполняем этот пробел, излагая последовательную линейную теорию нелокального переноса для малых возмущений плазмы с произвольной столкновительностью от классического гидродинамического режима сильных столкновений до бесстолкновительного режима, описывая ряд нелинейных моделей переноса и демонстрируя применения теории неклассического переноса для решения ряда задач физики плазмы, прежде всего для плазмы, создаваемой наносекундными лазерными импульсами с интенсивностями 10^13 –10^16 Вт/см^2.
   

1. A.V. Brantov, V.Yu. Bychenkov, W. Rozmus
   Electrostatic Response of a Two-Component Plasma with Coulomb Collisions Phys. Rev. Letters, vol. 108, pp. 205001, (2012)
   аннотация

   
   A rigorous procedure is proposed for finding a solution to kinetic equations with the Landau electron-electron, electron-ion, ion-electron, and ion-ion collision integrals in fully ionized plasma. The linear plasma response to the perturbation in the electrostatic field is described in terms of plasma dielectric permittivity. Solutions of the dispersion relation for electron plasma waves, ion-acoustic waves, and entropy modes are found in the entire range of frequencies, wave vectors, and particle collisionality. Several fits are obtained to enable practical applications of these results.
   
2. D. S. Uryupina, K. A. Ivanov, A. V. Brantov, A. B. Savel’ev, V. Yu. Bychenkov, M. E. Povarnitsyn, R. V. Volkov and V. T. Tikhonchuk
   Femtosecond laser-plasma interaction with prepulse-generated liquid metal microjets Physics of Plasmas, vol. 19, pp. 013104, (2012)
   аннотация

   
   Ultrashort laser pulse interaction with a microstructured surface of a melted metal is a promising source of hard x-ray radiation. Microstructuring is achieved by a weak prepulse that produces narrow high-density microjets. As an x-ray source, the interaction of the main laser pulse with such jets is shown to be nearly two orders of magnitude more efficient than the interaction with ordinary metal targets. This paper presents the results of optical and x-ray studies of laser-plasma interaction physics under such conditions supported by numerical simulations of microjet formation and fastelectron generation.
   
3. Е. А. Говрас, В. Ю. Быченков, А. В. Брантов
   Кулоновское ускорение лёгких ионов из однородных и слоистых мишеней ЖЭТФ, т. 141, N5, стр. 859-881, (2012)
   аннотация

   
   Применительно к проблеме лазерного ускорения ионов, развита теория разлёта полностью ионизованной тонкой мишени двухкомпонентного ионного состава в режиме кулоновского взрыва, характерного для взаимодействия релятивистски сильных фемтосекундных лазерных импульсов с нанофольгами. На основе этой теории и простой численной модели изучено формирование сгустков квазимоноэнергетических лёгких ионов и найдены их характеристики в зависимости от параметров мишени. Проведён сравнительный анализ ускорения лёгких ионов, однородно распределённых в мишени и сконцентрированных в виде тонкого слоя. Найдены оптимальные условия для получения пучков ускоренных ионов высокого качества, которые нашли своё качественное подтверждение проведёнными трёхмерными кинетическими расчётами взаимодействия лазерного импульса с тонкими мишенями.
   
4. V. Yu. Bychenkov, E. A. Govras, A. V. Brantov, and K. I. Popov
   High-energy protons from submicron-sized targets AIP Conference Proceedings, vol. 1465, pp. 128, (2012)
   аннотация

   
   Improving of intensity contrast ratio of intense short laser pulses is making it possible to use submicron-sized targets, both spherical and plane, in the interest of proton acceleration for different applications. The way of improving of the ion beam quality is utilization of targets with two ion species - heavy ions (majority) and light ions, e.g. protons, (minority). Two different approaches, analytical theory and particle-in-cell simulations (PIC) are presented for studying the characteristics of laser-triggered ions due to the Coulomb-like mechanism of particle acceleration from submicron-sized targets. The comparative analysis of explosions of heterogeneous (layered) and homogeneously mixed targets for production of best quality ion bunches has been performed. We also found the regime of anisotropic proton acceleration from spherical targets with light and heavy ions relevant to the experiments with submicron diameter droplets from water spray target irradiated by an ultrashort intense laser pulse.
   

1. Sergey G. Bochkarev, Andrei V. Brantov, Valery Yu. Bychenkov, and Wojciech Rozmus
   ULTRASHORT-LASER-PULSE ABSORPTION WITH SPATIAL DISPERSION AND NONLOCAL TRANSPORT EFFECTS Journal of Russian Laser Research, vol. 32, N2, pp. 162, (2011)
   аннотация

   
   We study ultrashort-laser-pulse absorption and plasma heating at a sharp plasma–vacuum interface using advanced models for all-range plasma permittivity and nonlocal heat transport. The electron response includes both collisional and collisionless dissipative effects in the plasma of an arbitrary ion charge. We show that nonlocal electron heat transport is important for correct determination of the value of electron temperature and spatial temperature profile. Nonlocal electron heat flux comes into play after electrons heat up to temperatures of the order of 1 keV and to temperatures several times less for low-density targets.
   
2. A.V. Brantov, V.Yu.Bychenkov, K.I.Popov, R.Fedosejevs, W.Rozmus, T.Schlegel
   Comparative analysis of laser-triggered proton generation from overdense and low-density targets Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 653, pp. 62-65, (2011)
   аннотация

   
   Based on3Dparticle-in-cell(PIC)simulationsacomparativeanalysisoflaser-triggeredproton generationfromtheinteractionofshorthigh-intensitylaserpulseswithultrathinfoilsanddensegas jets hasbeenperformed.Ithasbeenshownthatforultra-relativisticlaserintensitiestheuseoflow- densitytargetswithnearcriticaldensity(aerogelordensegasjet)hasnoadvantageincomparison with ultrathinfoilsintermsofmaximumprotonenergyandspectrumquality.Utilizationofmass- limited foilswithsubmicronthicknessdemonstratesevengreatersuperiorityforoverdensetargetsand allows onetoproducemonoenergeticprotonbeamswithenergiesofhundredsofmega-electron-volts by usinghigh-contrastlaserpulseswithenergiesoftheorderoftensofJoules.
   

1. K. I. Popov, W. Rozmus, V. Yu. Bychenkov, N. Naseri, C. E. Capjack, and A. V. Brantov
   Ion Response to Relativistic Electron Bunches in the Blowout Regime of Laser-Plasma Accelerators Phys. Rev. Letters, vol. 105, pp. 195002, (2010)
   аннотация

   
   The ion response to relativistic electron bunches in the so called bubble or blowout regime of a laser- plasma accelerator is discussed. In response to the strong fields of the accelerated electrons the ions form a central filament along the laser axis that can be compressed to densities 2 orders of magnitude higher than the initial particle density. A theory of the filament formation and a model of ion self-compression are proposed. It is also shown that in the case of a sharp rear plasma-vacuum interface the ions can be accelerated by a combination of three basic mechanisms. The long time ion evolution that results from the strong electrostatic fields of an electron bunch provides a unique diagnostic of laser-plasma accelerators.
   
2. А. В. Брантов, В. Ю. Быченков
   Моноэнергетические пучки протонов из пространственно-ограниченных мишеней, облучаемых ультракороткими лазерными импульсами Физика плазмы, т. 36, стр. 279–286, (2010)
   аннотация

   
   С использованием трехмерного численного моделирования, найдены оптимальные режимы ускорения протонов из различных плоских мишеней (двухслойные и однородные фольги, гомогенные фольги из легких и тяжелых ионов, пространственно-ограниченные мишени), облучаемых лазером умеренной энергии. Показано, что взаимодействие лазерного импульса с энергией порядка 20 Дж с пространственно-ограниченными мишенями, состоящими из тяжелых ионов и протонов, позволяет получить моноэнергетический пучок протонов с энергией порядка 150 МэВ.
   
3. A. Maksimchuk, S. S. Bulanov, A. Brantov, V. Yu. Bychenkov, V. Chvykov, F. Dollar, D. Litzenberg, G. Kalintchenko, T. Matsuoka, S. Reed, V. Yanovsky, and K. Krushelnick
   Control of proton energy in ultra-high intensity laser-matter interaction Journal of Physics: Conference Series, vol. 244, pp. 042025, (2010)
   аннотация

   
   Recent breakthroughs in short pulse laser technology resulted in (i) generation of ultra-high intensity (2x10^(22) W/cm^2) and (ii) ultra-high contrast (10^(-11)) short pulses at the Hercules facility of the University of Michigan, which has created the possibility of exploring a new regime of ion acceleration – the regime of Directed Coulomb Explosion (DCE). In this regime of sufficiently high laser intensities and target thicknesses approaching the relativistic plasma skin depth it is possible to expel electrons from the target focal volume by the laser’s ponderomotive force allowing for direct laser ion acceleration combined with a Coulomb explosion. That results in greater than 100 MeV protons with a quasi-monoenergetic energy spectrum. The utilization of beam shaping, namely, the use of flat-top beams, leads to more efficient proton acceleration due to the increase of the longitudinal field. According to the results of 2D PIC simulations a 500 TW laser pulse with a super-Gaussian beam profile interacting with 0.1 micron aluminium-hydrogen foil is able to produce monoenergetic protons with the energy up to 240 MeV.
   
4. T. Matsuoka, S. Reed, C. McGuffey, S.S. Bulanov, F. Dollar, L. Willingale, V. Chvykov, G. Kalinchenko, A. Brantov, V. Yu. Bychenkov, P. Rousseau , V. Yanovsky, D.W. Litzenberg , K. Krushelnick and A. Maksimchuk
   Energetic electron and ion generation from interactions of intense laser pulses with laser machined conical targets Nuclear Fusion, vol. 50, N5, pp. 055006, (2010)
   аннотация

   
   The generation of energetic electron and proton beams was studied from the interaction of high intensity laser pulses with pre-drilled conical targets. These conical targets are laser machined onto flat targets using 7–180 μJ pulses whose axis of propagation is identical to that of the main high intensity pulse. This method significantly relaxes requirements for alignment of conical targets in systematic experimental investigations and also reduces the cost of target fabrication. These experiments showed that conical targets increase the electron beam charge by up to 44 ± 18% compared with flat targets. We also found greater electron beam divergence for conical targets than for flat targets, which was due to escaping electrons from the surface of the cone wall into the surrounding solid target region. In addition, the experiments showed similar maximum proton energies for both targets since the larger electron beam divergence balances the increase in electron beam charge for conical targets. 2D particle in cell simulations were consistent with the experimental results. Simulations for conical target without preplasma showed higher energy gain for heavy ions due to ‘directed coulomb explosion’. This may be useful for medical applications or for ion beam fast ignition fusion.
   

1. S. E. Kirkwood, Y. Y. Tsui, R. Fedosejevs, A. V. Brantov, and V. Yu. Bychenkov
   Experimental and theoretical study of the absorption of femtosecond laser pulses in interaction with solid copper targets. Phys. Rev. B, vol. 79, pp. 144120, (2009)
   аннотация

   
   The reflectivity of near-infrared 150 femtosecond laser pulses from copper targets has been measured in the intensity range of 6 10^11 W/cm^2 to 1.6 10^14 W/cm^2 showing a drop in reflectivity versus intensity as the target is heated. A simple semi-analytical model of femtosecond electron heating and resultant optical absorption is developed to describe the time dependent and integral reflectivity covering the range from cold metal response to hot plasma response. The model is in good agreement with experimental ultrafast reflectivity measurements over the intensity range studied.
   
2. Брантов А. В., Быченков В. Ю.
   Учет электрон-электронных столкновений в классическом поглощении коротких лазерных импульсов Физика плазмы, т. 35, N3, стр. 274, (2009)
   аннотация

   
   Полученное ранее универсальное выражение для диэлектрической проницаемости плазмы используется при решении задачи о поглощении короткого лазерного импульса, падающего на твердотельную полуограниченную плазму. Показано, что результаты точной теории могут значительно отличаться от результатов общепринятых моделей особенно в слабостолкновительном режиме поглощения, отвечающем области температур порядка 0.5-1 кэВ.
   
3. A. V. Brantov, V. T. Tikhonchuk, V. Yu. Bychenkov, and S. G. Bochkarev
   Laser-triggered ion acceleration from a double-layer foil Physics of Plasmas, vol. 16, N4, pp. 043107, (2009)
   аннотация

   
   A simple analytic model of light-ion acceleration in a double-layer foil target is proposed. It accounts for ion acceleration in the electrostatic sheath and Coulomb interaction between heavy and light ions. The model is used to study proton acceleration, and the conditions for a quasimonoenergetic proton beam formation are defined. Comparison with the hybrid and two-dimensional particle-in-cell kinetic simulations verifies the model results.
   
4. 
   Ultrashort laser pulse absorption and target heating AIP Conference Proceedings, vol. 1153, pp. 25-36, (2009)
   аннотация

   
   The problem of ultrashort laser pulse absorption at the sharp plasma-vacuum interface has been solved using a new expression for plasma permittivity. The electron response includes both collisional and collisionless dissipative effects in a plasma with arbitrary ion charge. The difference between known absorption models and our theoretical RFBR approach which accounts for localized plasma heating with nonlocal heat transport has been discussed.
   
5. Zhen Zheng, W. Rozmus, V. Yu. Bychenkov, A. V. Brantov, and C. E. Capjack
   Nonlocal transport model in equilibrium two-component plasmas Physics of Plasmas, vol. 16, pp. 102301, (2009)
   аннотация

   
   The full set of linearized Fokker–Planck kinetic equations with Landau collision terms have been solved as an initial-value problem for equilibrium electron-ion plasmas. This work is a generalization of the nonlocal transport theory by Bychenkov et al. [Phys. Rev. Lett. 75, 4405 ͑1995͔] to both electron and ion components with frequency-dependent responses. Transport closure relations have been obtained for the complete set of electron and ion fluid equations which are valid over the full range of particle collisionality and for an arbitrary ionic charge. The well-known limits of collisionless and strongly collisional plasma transport theory have been recovered. Practical fits based on the numerical calculations have been introduced for nonlocal and frequency-dependent ion transport coefficients.
   

1. Брантов А. В., Быченков В. Ю., Розмус В.
   Электронный перенос и диэлектрическая проницаемость в плазме с произвольным зарядом ионов ЖЭТФ, т. 133, N5, стр. 1123-1139, (2008)
   аннотация

   
   На основе решения линеаризованного кинетического уравнения для электронов с интегралом столкновений в форме Ландау развита теория электронного переноса для малых возмущений в полностью ионизованной плазме с произвольным зарядом ионов, свободная от каких-либо ограничений на характерные временные и пространственные масштабы возмущений. Вычислены потенциальные и вихревые электронные потоки для произвольной частоты электронных столкновений, позволяющие описывать пространственно-временной нелокальный перенос. Получены также выражения для продольной и поперечной электронной диэлектрической проницаемости столкновительной плазмы с произвольным зарядом ионов, пригодные для описания отклика плазмы на малые возмущения с произвольной частотой и волновым вектором. На примере поперечной диэлектрической проницаемости, позволяющей описывать поглощение электромагнитной волны во всем диапазоне параметров плазмы, от сильностолкновительного до бесстолкновительного, дается детальное сопоставление с известными ранее моделями.
   
2. В. Н. Новиков, А. В. Брантов, В. Ю. Быченков, В. Ф. Ковалев
   Кулоновский взрыв нагретого кластера Физика плазмы, т. 34, N11, стр. 997, (2008)
   аннотация

   
   Изучен кулоновский взрыв неоднородного заряженного сферически симметричного кластера с конечной температурой ионов. Получены распределения плотности и средней скорости частиц, а также энергетические спектры ускоренных частиц. Эти характеристики детально проанализированы в зависимости от исходной температуры частиц. Показано, что конечная ионная температура устраняет сингулярности кулоновского взрыва, имеющие место для пространственно-неоднородного холодного кластера благодаря многопотоковым течениям, возникающим после опрокидывания профиля скорости частиц кластера. Найдено характерное значение температуры при превышении которой регуляризуются пространственные распределения и энергетический спектр разлетающихся ионов.
   
3. A. V. Brantov, T. Zh. Esirkepov, M. Kando, H. Kotaki, V. Yu. Bychenkov, and S. V. Bulanov
   Controlled electron injection into the wake wave using plasma density inhomogeneity Physics of Plasmas, vol. 15, pp. 073111, (2008)
   аннотация

   
   The electron injection, for the laser wake field accelerator, controlled through the plasma density inhomogeneity is studied on a basis of analytical estimates and two- and three-dimensional particle-in-cell simulations. The injection scheme requires a concordance of the density scale length and laser intensity. It is shown that at a sloping inhomogeneity of plasma the wave breaking produces stronger singularity of the electron density than at a density discontinuity, but develops slower. With the help of simulations for a moderate laser intensity, we demonstrate the optimal plasma density gradient, where the electron injection into the wake wave forms the electron beam with low divergence, small energy spread and high energy.
   
4. S. S. Bulanov, A. Brantov, V. Yu. Bychenkov, V. Chvykov, G. Kalintchenko, T. Matsuoka, P. Rousseau, S. Reed, V. Yanovsky, K. Krushelnick, D. W. Litzenberg, A. Maksimchuk
   Accelerating protons to therapeutic energies with ultraintense, ultraclean, and ultrashort laser pulses Medical Physics, vol. 35, N5, pp. 1770-1776, (2008)
   аннотация

   
   Proton acceleration by high-intensity laser pulses from ultrathin foils for hadron therapy is discussed. With the improvement of the laser intensity contrast ratio to 10^(−11) achieved on the Hercules laser at the University of Michigan, it became possible to attain laser-solid interactions at intensities up to 10^22 W/cm^2 that allows an efficient regime of laser-driven ion acceleration from submicron foils. Particle-in-cell ͑PIC͒ computer simulations of proton acceleration in the directed Coulomb explosion regime from ultrathin double-layer heavy ions/light ions foils of different thicknesses were performed under the anticipated experimental conditions for the Hercules laser with pulse energies from 3 to 15 J, pulse duration of 30 fs at full width half maximum FWHM, focused to a spot size of 0.8 mkm FWHM. In this regime heavy ions expand predominantly in the direction of laser pulse propagation enhancing the longitudinal charge separation electric field that accelerates light ions. The dependence of the maximum proton energy on the foil thickness has been found and the laser pulse characteristics have been matched with the thickness of the target to ensure the most efficient acceleration. Moreover, the proton spectrum demonstrates a peaked structure at high energies, which is required for radiation therapy. Two-dimensional PIC simulations show that a 150–500 TW laser pulse is able to accelerate protons up to 100–220 MeV energies.