2
Содержание Стр.
Введение.................................................... 4
Литература к введению....................................... 43
I. Лазерный комплекс для исследования атомных и ядерных процессов в лазерной плазме........................................ 46
1.1. Пикосекундная лазерная установка «Неодим» 10 ТВт мощности...................................................... 46
1.2. Система диагностики параметров лазерного излучения 57
1.3. Система диагностики для регистрации атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.............................. 82
1.4. Выводы................................................... 93
1.5. Литература к главе 1..................................... 95
II. Основные результаты экспериментальных исследований по взаимодействию интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.................................................... 98
2.1. Генерация- быстрых заряженных частиц при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями............................................... 98'
2.1.1. Анализ механизмов генерации быстрых заряженных частиц при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов
с твердотельными мишенями................................. 98
2.1.2. Основные результаты экспериментальных исследований по генерации быстрых электронов и протонов при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями ,*.............................................. 110
2.2. Эффективная температура и направленное движение быстрых ионов в лазерной пикосекундной плазме........................... 139
2.3. Исследование плазменных сателлитов рентгеновских линий ионов в пикосекундной лазерной плазме........................... 148
2.4. Выводы.................................................... 163
2.5. Литература к главе II..................................... 166
III. Инициирование перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной пикосекундной плазме....................................... 172
3.1. Описание экспериментов.................................... 175
3.2. Экспериментальные результаты.............................. 179
3.2.1. Реакция синтеза н)3Не................................. 179
3.2.2. Реакция синтеза 6Li(d, а)4Не............................ 182
3.2.3. Реакция синтеза 3Нe(d,р)АНе............................. 185
3.2.4. Реакция синтеза ПВ(р, За)............................... 188
3.2.5. Реакция синтеза \\(р, а)лНе............................. 192
3.3. Результаты расчетов выхода перспективных ядерных реакций.. 194
3.3.1. Физическая модель....................................... 194
3.3.2. Реакция D(d, /?)3Не..................................... 197
3.3.3. Реакция 6Li(d, а)4Не.................................. 198
3.3.4. Реакция 3Не(4 р?Не...................................... 202
3.3.5. Реакция пВ(р, За)....................................... 205
3.3.6. Реакция 7Li(р, а)4Не.................................... 207
3.4. Выводы....................................................... 210
3.5. Литература к главе 111....................................... 212
IV. Оптимизация выхода перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями................................................... 214
4.1. Исследование влияния предьтмпульсов различной длительности на выход нейтронов при инициировании D(d, ;/)3Не реакции в лазерной пикосекундной плазме............................... 214
4.2. Исследование влияния спектрального состава чирпированного импульса на выход нейтронов при инициировании D(d, я)3Не реакции в лазерной пикосекундной плазме........................... 228
4.3. Исследование влияния плотности мишени на выход нейтронов при инициировании П(<7, и) Не реакции в лазерной пикосекундной плазме.................................................... 235
4.4. Оптимизация выхода перспективных ядерных реакций синтеза в сверхсильных электромагнитных полях ультракоротких лазерных импульсов.................................................. 236
4.5. Выводы....................................................... 240
4.6. Литература к главе IV........................................ 241
V. Заключение....................................................... 244
4
Введение.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы
В последние годы прогресс в исследованиях физических свойств вещества под действием сверхинтеисивиого электромагнитного излучения был непосредственно связан с созданием и развитием импульсных лазеров суб-пикосекуидной длительности, основанных на принципе усиления чирпи-рованного импульса. Развитие нового поколения твердотельных лазеров привело к уникальным условиям облучения лазерных мишеней в диапазонах длительностей импульса 10 - 1000 фс, интенсивностей 101 1021
Вт/см2, пиковых значений мощности 10 1000 ТВт. При этих условиях ла-
зерное излучение достаточно эффективно трансформируется в потоки быстрых электронов и ионов, взаимодействие которых с веществом мишени приводит к генерации рентгеновского и жесткого гамма-излучения, различным ядерным и фотоядерным реакциям, чего нельзя было достичь при использовании импульсов нано- и субнаносекундной длительности с энергией в десятки джоулей. В результате формируемая фемто- и пикосекундная лазерная плазма является своеобразным “настольным” импульсным “микроускорителем” и “ядерным микрореактором”, отличающимся относительной компактностью, к которому не предъявляются специальные требования по радиационной безопасности. Такой источник допускает относительно простую возможность управления энергетическими и другими параметрами корпускулярного и электромагнитного излучений.
По результатам экспериментальных и теоретических исследований можно определить следующие диапазоны изменения параметров образующейся лазерной плазмы: температура электронов составляет ~ 1 - 10 кэВ, температура быстрых электронов ~ 0.1 - 10 МэВ (с максимальной энергией свыше 100 МэВ), температура быстрых протонов и ионов - от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ (с максимальной энергией протонов до 60 МэВ и ионов свыше 400 МэВ), величина пондеромоторного
5
давления 1 50 Гбар, амплитуды электрического и спонтанного магнитно-
Л 1Л
го нолей -10 —10 В/см и - 1 ч- 700 МГс соответственно. Энергии высо-коэнергетичных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, генерация позитронов,
(р, п) ядерные реакции и т.д.
Исследование ядерных реакций синтеза в лазерной плазме проводилось одновременно с бурным-развитием самой лазерной физики, где достаточно
17 1К
быстро произошел переход ОТ умеренных интенсивностей - 10 -5-10
Вт/см2 к более высоким интенсивностям 1019— 102' Вт/см2, соответствующим релятивистским условиям движения электронов создаваемой плазмы. При этом ядерные реакции синтеза в области умеренных интенсивностей ~1018 Вт/см2 не были достаточно подробно исследованы. В то же время исследование ядерных реакций синтеза в данной области интенсивностей представляет несомненный интерес, по крайней мере, в трех отношениях: для установления законов подобия по выходу ядерных реакций синтеза в зависимости от интенсивности лазерного излучения; для эффективного * инициирования ядерных реакций синтеза, обладающих резонансами сечений как раз в той области энергий частиц, ускоряемых лазерным излучением, которая соответствует указанным умеренным интенсивностям; из-за относительной доступности и эксплуатационной надежности лазерных установок, обеспечивающих интенсивности излучения -1018 Вт/см2, по сравнению с крупными лазерными установками 100 ТВт -5- 1 ПВт мощности, обеспечивающими интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1019-1021 Вт/см2.
Среди реакций синтеза наибольший интерес вызывают реакции синтеза, перспективные для использования в управляемом термоядерном синте-зе (УТС): ОД, л)3Не, 61ОД, а)'Не, 3Не(</, р)4Не, "В(р, За), 71л(р, а)4Не, у которых основное энерговыделение идет в заряженных частицах (что сильно упрощает утилизацию этой энергии), а нейтронные потоки ослаб-
лены по сравнению с реакцией Т{db л)4Не, используемой в традиционной схеме УТС. Схема управляемого синтеза на реакции T(d, л)4Нс является лишь этапом, позволяющим продемонстрировать саму возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза. Анализ возможности использования перспективных ядерных реакций синтеза в схеме УТС с магнитным удержанием приводит к весьма жестким требованиям к соответствующим плазменным параметрам ввиду больших значений ионной, температуры (свыше 100 кэВ), требуемой для поджига таких ядерных реакций. В то же время, в плазме, создаваемой лазерами ПВт мощности, которые могут использоваться в схемах быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе [1-3], возможно достижение требуемых столь высоких температур ионов. Однако до последнего' времени в плазме, создаваемой мощными лазерами, из перечисленных выше перспективных ядерных реакций синтеза экспериментально исследовалась только одна реакция' синтеза D(d, л)'Не. При этом- в недостаточной- степени исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной реакции-синтеза.
Таким образом, исследование перспективных ядерных реакций синтеза, инициируемых при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.
Цели диссертационной работы
Основные цели работы заключались в следующем:
1. Создание специализированного лазерного комплекса для исследования перспективных ядерных реакций синтеза, в лазерной плазме в составе: модернизированной пикосекундиой лазерной установки «Неодим» 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на мише-
1 о л
ни 2хЮ Вт/см , системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы.
7
2. Разработка методик проведения, экспериментов по* исследованию перспективных ядерных реакций /7)3Не, 61д(с/, а)4Не, 3Не(б/, р)4Не, мВ(р, За), 7Ы(р, а)4Нс, протекающих в лазерной пикосекундной плазме.
3. Оптимизация условий генерации высокоэнергетичных заряженных частиц, инициирующих ядерные реакции, в том числе перспективные ядерные реакции синтеза в лазерной пикосекундной »плазме.
4. Доказательство возможности инициирования’перспективных ядерных реакций синтеза 0(</, п)3Не, 61л(с/, а)1Не, 3Не(с/, р)4Не, ИВ(р, За), 7Ы(р, а)4Не при взаимодействии. лазерных импульсов с интенсивностью
I о
/»10 Вт/см" с твердотельными мишенями:
Состояние вопроса и основные направления исследований
В последнее время уникальные возможности для постановки новых задач в ядерной физике, физической кинетике, физике атомных и радиационных процессов в плазме и др. связаны с развитием лазерной техники в области создания мощных лазеров с ультракороткой длительностью (50 фс -г 1 пс) импульсов. Такие лазерные системы обеспечивают мощность вплоть до 1015 Вт, а при фокусировке излучения на мишень интенсивность свыше Ю20 Вт/см2.
Именно эти качества лазеров пико- и фемтосекундной длительности импульсов явились причиной создания таких лазеров в ведущих научных центрах развитых стран. В таблице 1 приведены параметры основных мощных лазерных установок со сверхкороткой длительностью импульса, созданных как в России, так и за рубежом.
Образующаяся при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом лазерная плазма является источником быстрых электронов с энергией свыше 100 МэВ, быстрых протонов с энергией до 60 МэВ, муль-ти-МэВных у-квантов, высокоэнергетических ионов с энергией свыше 100 МэВ. В нашей работе [4] дан обзор недавних экспериментальных и теоре-
1
!
4
тических исследований по генерации быстрых заряженных частиц и свсрх-сильных магнитных нолей при взаимодействии сверхкоротких лазерных
Таблица 1. Параметры мощных лазерных установок со сверхкороткой
длительностью импульса.
№ п/п Фирма, страна т, фс Р, 1012 Вт /, Втхсм'2
1 Lawrence Livermore Nat. Lab. (USA) 500 1000 >Ю20
2 California Univ. (USA) 30 50 5х1019
3 Michigan Univ. (USA) 30 40 2х1019
4 Texas Univ. (USA) 35 20 2х1017
5 Rutherford Lab. (Great Britain) 500 1000 >Ю20
6 Astra (Great Britain) 40 40 ЗхЮ18
7- lnstit. of Laser Engin. (Japan) 500 1000 Ю20
8 Jap. Atomic Energy Agency (Japan) 30 500 Ю20
9 MBI (Berlin, Germany) 30 100 - 10и>
10 ATLAS (Germany) 100 30 5х1018
И LULI (France) 30 100 5х1019
12 LOA (France) 30 100 5х1019
13 Lund (Sweden) 30 30 Ї019 '
14 Changhai Inst. Opt. (China) 500 1000 ИГ
15 ИПФ (г. Нижний Новгород, Россия) 40 560 о ю с
16 НИКИ ОЭП (г. Сосновый Бор, Россия) 1000 40 1019
17 ЦНИИмаш (г. Королев, Россия) 1500 10 2х1018
18 ГОИ (г. Санкт-Петербург, Россия) 1500 5 1018
19 ИОФАН (г. Москва, Россия) 40 0,5 1018
20 МГУ (г. Москва, Россия) 55 0,4 1018
21 ВНИИТФ (г. Челябинск, Россия) 1500 5 1018
импульсов с твердотельными мишенями, рассмотрены механизмы генерации быстрых заряженных частиц в сверхсильных световых полях лазерно-
17 71
го излучения с интенсивностями в диапазоне 10 + 10 ' Вт/см", детально
анализируется ускорение электронов, обусловленное их вакуумным нагревом, пондеромоториым потенциалом, резонансным поглощением, полем кильватерной волны в докритической части плазмы, циклотронным и дру-
9
гими механизмами, приведены экспериментальные данные по ускорению протонов и-атомарных ионов полями пространственного заряда на тонких и толстых твердотельных мишенях и их теоретическая интерпретация. Значительное внимание уделено генерации сверхсильных квазистатичс-ских магнитных полей в лазерной плазме и методам их измерения для различных лазерных импульсов как фемто-, так и пикосекундной длительности. Обсуждаются возможности возникновения магнитных плазменных конфигураций и возможностей магнитного удержания плазмы. Генерация мульти-МэВных пучков заряженных частиц и у-квантов открывает широкие возможности для их применения в ускорительной технике и ядерной физике [5], в исследованиях быстрого поджига лазерного синтеза [6], в радиографии [7], диагностике лазерной плазмы [8], материаловедении [9], медицине [10] и т.д. В связи с этим в последние годы проводятся широкие исследования мульти-МэВных пучков заряженных частиц и у-квантов (см. обзор [4]), генерируемых в лазерной плазме.
Энергии высокоэнергетйчных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, реакции генерации позитронов, (р, и)- ядерные- реакции и т.д. На рис. 1 показан спектр возможных ядерных реакций, инициируемых в плазме, создаваемой мощными лазерными импульсами со сверхкороткой длительностью импульса [11].
В LLNL в экспериментах на летаваттном лазере (/ ~ 6x1020 Вт/см2), а также в Резерфордовской лаборатории (Великобритания) на 50 ТВт (1019 Вт/см2) установке VULCAN наблюдались ряд реакций (/,«) типа: 12С(у,«)"С (порог 18,7 МэВ), 39К(Г,и)38К (13,7 МэВ), 63Си(у,п)62Си (10,9 МэВ), MZn(/,nfZn (11,9 МэВ), 65Cu(p7)64Cu (10,9 МэВ),
l07Ag(^,«)l06Ag (9,5 МэВ) и ряд других [12-17]. По активности образовав-шихся изотопов и известным сечениям (/,л)-реакций определялось число
10
жестких у-квантов в каждом выстреле. При наибольшей активности ~3 кБк это число составляло 10'4-109 у-квантов.
Прямое* вз&имо действие с! нуклонами
Рассеяние на гупонигсгоом_ потенциале иона
Деление ядер
Генерация гашка-излучекня
Ускорение легких ионов
Ускорение шт& конов
=► Термоядерные реакции и наработка ю ото по в
Электромагнитно е взаимодействие
Ядериое
взаимодействие
Генерацзот позитронов (у, е~)
Фото ядер ные реакции (у, п)
=#► Деление ядер (7,0
Траксмутация и ^ ^ ^ наработка изотопов
(с1а)
^ (Р. п)
(Р, а)
Восбугденке вращательных ядерных с пектров
Создание квазкатомов
• Реакция слияния
Передача нуклонов
Рис. 1. Спектр возможных ядерных реакций, инициируемых в плазме, создаваемой мощными лазерными импульсами со сверхкороткой длительностью.
Если в экспериментах [12-17] использовались мультитераваттные лазерные установки суб- и пикосекундной длительности (0,45 пс; 1 пс), то в экспериментах [18,19] использовались лазерные установки фемтосекундной длительности (30 фс; 60 фс) с частотой повторения 10 Гц. В работе [18] при интенсивности лазерного излучения 4х1019 Вт/см2 наблюдались следующие реакции (в скобках указано число реакций на один импульс): >2С(г,п)'1С (1.4x103), 63Си(г,и)62Си (1.1х104), 197Аи(у,и)|%Аи (5х104),
й I
и^Вэюп) (2.3x10 ). В работе [19] при интенсивности лазерного излучения 5x1018 Вт/см2 наблюдалась фотоядерпая реакция 9Ве(^, п)2а, для которой требуются кванты с энергией более 1,67 МэВ. Было зарегистрировано около 100 фотонейтронов (/, я)-реакции за один лазерный импульс.
•)ЛО
В мишенях из “ и но радиоактивности, характерной для осколков деления, установлено наличие реакции деления ~38 ХД/'Д) 134Г, 138 Сб, 92Бг (порог 7,8 МэВ). При интенсивности 6x1020 Вт/см2 полный выход реакции деления составил примерно (1,8±0,2)х10 событий (ЬичПЬ), на установке
10 0
VULCAN (Резерфордовская лаборатория) при интенсивности 10 Вт/см выход составил 106 событий [16].
Отметим некоторые возможности, которые обсуждаются в литературе. Интересно сравнить выход реакций (у,п)у (у,2п)у (У,3,4,...п) для одного и того же облучаемого изотопа. Порог реакции для каждого последующего нейтрона повышается примерно на 10 МэВ. Это дает возможность более точно установить вид у-спектра и значение температуры электронов. Воз-
I
можно также уточнение моделей ядра и сечений (у, п) реакций. Интересной представляется возможность наблюдения реакции деления (у,; f) для ядер со средним атомным номером А=150-200. Например, для Hg (А=200) порог реакции (/, f) оценивается в 42 МэВ [17].
Позитроны могут генерироваться как за счет механизма рождения пар, так и за счет р! распада изотопов, возникающих в (у, п) реакциях. Приведенные в начале этого раздела примеры (уу п) реакций практически все приводят к изотопам, распадающимся через р’ канал. Выход электрон-позитронных пар составляет -10° от количества быстрых электронов с энергией 5-Н0 МэВ [20]. Измеренный на петаваттном лазере (LLNL) выход позитронов из Аи мишени (толщиной 125 мкм) составил (3-^5)х107 пози-тронов/МэВ в области энергий электронов 3-4-15 МэВ.
Генерация высокоэнергетичных протонов с энергией, достигающей нескольких десятков МэВ, открывает возможности для развития важных прикладных направлений ядерной физики. Одно из них связано с возможностью создания интенсивного источника нейтронов с энергиями частиц в несколько десятков МэВ при воздействии на вещество пучка протонов с энергиями, превышающими энергию связи нуклонов в ядре. При воздействии протонов с энергиями 20-50 МэВ на мишень из дейтерия могут генерироваться потоки нейтронов с энергиями 10-30 МэВ.
Другое направление связано с ядерными реакциями высокоэнергетичных протонов с тяжелыми элементами. В экспериментах [21] наблюдалась
12
интенсивная ядериая активация различных материалов за счет воздействия.-высокоэнергетичных прогонов с энергией до 30 МэВ из лазерной плазмы, образованной при воздействии мощного короткого импульса с интенсив-
10 О
ностыо.2х 10 Вт/см“.
В ядерньгх реакциях, протекавших при воздействии высокоэнергетичных протонов, образовывались изотопы 6'^п, "С и 13Ы с периодами полураспада, соответственно, 38, 47, 20, 38 и 9.96 мин. Первые два изотопа образовывались, соответственно, в реакциях 63Си(р, п^Ъп , пВ(р, и)иС,
которые дают примерно одинаковый выход. Выполненные эксперименты
10
позволили установить характеристики спектра быстрых протонов: 10 частиц/стерадиан с энергиями 1—5 МэВ и 10й частиц/стерадиан с энергиями свыше 5 Мэв. Активация материалов под действием высокоэнергетичных ионов из лазерной плазмы, образующейся при воздействии короткого-импульса мощного лазерного излучения, представляет собой очень привлекательный метод создания источника короткоживущих радионуклидов.
В работе [22] наблюдались ядерные слияния (синтез) тяжелых ионов при интенсивности лазерного излучения 5х1019 Вт/см2. При облучении мишени из А1 потоком углеродной ( С) лазерной плазмы зарегистрирова-но излучение 34,"С1 (146, 1177, 2127 и 3304 кэВ) и 38К (2167 кэВ). Кроме то-го, было зарегистрировано излучение позитронов. Это можно объяснить тем, что изотопы возникают в результате синтеза высоковозбужденного 39К в реакции 12С + 27А1 39К и последующих распадов. 34тС1 и 38К един- .
ственные изотопы с достаточно большим периодом полураспада (-10 мин), позволяющим произвести наблюдение. Порог реакции » 40Мэв, сечение «0.3 барна, выход реакций составил около 5x104 ядер 34тС1 и 2x104 ядер 38К.
Также были проинициированы ядерные реакции 27А1 + 27А1 и 1бО + 27А1 [22].
В последнее время опубликован ряд работ по генерации нейтронов в лазерной плазме на поверхности твердотельных (СП)П и (С02)п мишенях
13
при инициировании ядерной реакции синтеза Б(^, п) Не с использованием лазерного излучения со сверхкороткой длительностью импульса т = 35 фс + 1.5 пс и интенсивностью в диапазоне 1016 - 1019 Вт/см2 (см. таблицу 2).
Эксперименты с использованием твердотельных мишеней (С02)„ и (СЭ)„ были-выполнены с использованием лазерного излучения с интенсив-
1 О 1П
ностмо в диапазоне 10 - 10 Вт/см“. Все эксперименты, за исключением экспериментов [25], были-выполнены с использованием лазерных импульсов, которые имеют существенные предымпульсы различной.длительности, с интенсивностью предымпульсов свыше порогов образования плазмы на мишени. Таким образом, практически во всех экспериментах основной лазерный импульс взаимодействовал с созданной предымпульсами преплаз-мой. При этом контраст лазерного излучения по интенсивности К (К-1^1 - отношение интенсивности основного лазерного импульса к интенсивности предымпульса) на различных лазерных- установках имел- разную величину от 102 [24] до 109 [25]. Поэтому неудивительно, что измеренный выход нейтронов на различных лазерных установках отличается на несколько ■ порядков при одной и той же интенсивности основного лазерного импульса: Однако систематического исследования влияния контраста лазерного излучения* на протекание термоядерных 0(с1,п)3Не реакций, в лазерной пикосекундной плазме проведено не было.
Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований ядерной реакции
синтеза П(с1, п)3Не в лазерной плазме.
Ссыл ка Мишень Выход ней- тронов Параметры лазерного импульса
Энергия (Дж) Длитель тель-ность X (мкм) I (Вт/см2)
[23] С8Э8 и 02 твердотельная мишень 109 20 1.3 пс 1.054 1019
[24] с2э4 1x102 0.2 160 фс 0.79 ю18
[25] С02 г- о X 7.0 О.Зпс 0.529 3.5х1019
14
[26] со2 1x104 0.3 0.05 пс 0.8 2х1018
[27] СЛ 9x105 50 500 фс 1.054 2*1019
1281 со, 10" 10 1.5 пс 1.055 2хЮ18
[30] 02 газ 1хЮ6 62 1 1 пс 1.05 2хЮ19
[31] кластеры 1 х 104 0.12 35 фс 0.82 2хЮ16
[31] Ъг _ 2x106 10 100 фс 0.8 2хЮ20
[32] CDA 7x103 0.8 35 фс 0.82 2х 1017
[33] СЭ4 1хЮ5 2.5 100 фс 0.8 4хЮ19
Таким образом, анализ состояния вопроса и основных направлений исследований позволяет сделать следующие выводы:
1. До настоящего времени исследования практически всех'ядерных реакций (за исключением ядерной реакции Е)(^, /?)3Нс) в лазерной плазме проводились при релятивистских интенсивностях лазерного излучения 10)9 -з- КТ° Вт/см2 с использованием крупных лазерных установок 100 ТВт - 1 ПВт мощности. Количество таких установок крайне ограничено и они-расположены в крупных лазерных центрах, таких как Резер-фордовская лаборатория (Великобритания), Институт ядерной инженерии (Япония), Институт прикладной физики (Нижний Новгород) и т.д. Количество же лазерных установок 1-10 ТВт мощности, обеспечи-
I О |Л Л
вающих интенсивность в диапазоне 10 10 Вт/см“, значительно
больше, и они расположены в научных и учебных институтах (университетах).
2. До настоящего времени в лазерной плазме из термоядерных реакций синтеза экспериментально исследовалась только одна реакция 0(<У, п)ъНе. При-этом в недостаточной мере исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной
реакции синтеза.
«
Научная новизна
Впервые проведено инициирование перспективных ядерных реакций синтеза 61л(г/, а)4Не, 3Не(^, р)4Не, ПВ(р, За), 71Л(ру а)4Не при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.
Обнаружено влияние предымпульсов различной длительности на выход нейтронов при инициировании D(dy и)3Не реакции в лазерной пикосекундной плазме.
Впервые проведено инициирование перспективной ядерной реакции синтеза 0(<7, л)3Не в пикосекундной лазерной плазме с использованием малоплотных р- 10 40 мг/см3 мишеней на основе дейтерированного
пенополиэтилена.
Обнаружено влияние спектрального состава усиливаемого лазерного импульса на выход нейтронов при инициировании О(<7, и)3Не реакции в лазерной пикосскундной плазме.
Определены оптимальные значения для параметров лазерного импульса по интенсивности, длине волны, длительности, поляризации, контрасту, для параметров мишени и геометрии эксперимента, при которых возможно значительно увеличить выход перспективных ядерных реакций синтеза1 в лазерной пикосекундной плазме.
| О 'У
Обнаружено, что начиная с интенсивности 10 Вт/см“ в распределении ионов по энергиям образуется интенсивный «хвост», отвечающий генерации быстрых ионов с температурой около 350 кэВ.
Впервые в пикосекундной лазерной плазме при интенсивности лазер-
I о Л
ного излучения 2x10 Вт/см- проведено инициирование фотоядерных реакций’ 9Ве(^, п)2а, 18,Та(^, я)180Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов 71л(р, н) Вс, 63Си(р, п)о32п, 48Т1(р, я)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.
8. Впервые зарегистрированы плазменные сателлиты рентгеновских линий ионов фтора в лазерной пикосекундной плазме, свидетельствующие о наличии сильных плазменных колебаний с частотой, заметно меньшей частоты лазерного излучения.
Практическая ценность работы
1. Результаты работы по исследованию перспективных ядерных реакций синтеза могут найти применение при разработке новых схем быстрого поджига в пнерциалыюм термоядерном синтезе с использованием перспективных ядерных топлив.
2. Созданный специализированный лазерный комплекс 10'ГВт мощности позволяет на основе полученных экспериментальных результатов развернуть работы по созданию новых технологий, связанных с генерацией быстрых заряженных частиц и инициированием перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.
3. Результаты работ позволяют существенно расширить фронт исследования ядерных реакций, в том числе перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме за счет привлечения лазерных установок 1-НОТВт мощности с интенсивностью на уровне 1018 Вт/см2, количество которых в научных и учебных институтах (университетах) значительно больше, чем количество крупных лазерных установок с мощностью ЮОТВт-г 1ПТВт и интенсивностью 1019 ч* 10"° Вт/см2.
4. Результаты работ по разработке методик диагностики лазерной плазмы использовались при создании в НИИИТ (г. Москва) многоканальной автоматизированной системы диагностики для обеспечения исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме в ведущих научных центрах Росатома.
5. Результаты работы мо1уг найти применения в следующих направлениях науки и технологии:
- исследование ядерных реакций, в т.ч. синтеза, протекающих в условиях
- О О
высоких (более 10 °К) температур, плотностей (более 10“ г/см ), маг-
А
нитных полей (более 10 Гс) с разработкой и созданием новых наукоемких технологий, прежде всего энергетических;
-’ экспериментальные исследования ядерных реакций, протекающих на астрофизических объектах путем моделирования соответствующих условий на созданной лазерной установке;
- исследование и создание основ энергетических технологий на базе без-нейтронных (экологически чистых) реакций синтеза ядер;
- создание высокоиитенсивных источников нейтронов, электронов, заряженных ионов пикосекундной длительности для целей диагностики различных веществ и их состояний;
- диагностика лазерной плазмы, созданной при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями;
- технология производства радиоактивных изотопов.
Защищаемые положения
1. Созданный специализированный лазерный комплекс в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт
мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на 18 *7
мишени 2x10 Вт/см , системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы позволяет проводить исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме.
2. Созданные методики проведения экспериментов позволяют ПРОВОДИТЕ»
исследования по инициированию перспективных ядерных реакций
синтеза 0(г/, «)3Не, 6Гл(^, «)4Не, 3Не(</, рУНе, пВ(р, За), 71 л(р, а)'Ые в
18
лазерной плазме-на основе измерения количества и энергии нейтронов, протонов, а-частиц — продуктов выхода данных ядерных реакций.
а о л
3. При взаимодействии интенсивных (2x10 Вт/см") пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза D(di я)3Не, 61л(*У, а)АНе, 3Не(<7,р)4Не, пВ(р, За:), 7Ы(р, а)4Не с выходом продуктов ядерных реакций 103 ч- 10* частиц за один лазерный импульс.
4. Выход нейтронов при инициировании ядерной реакции синтеза П(с/, п) Ые с использованием твердотельных (СЭг),, мишеней с р « I г/см3 уменьшается при интенсивности ыаносекундного предым-пульса более 1012 Вт/см2 и при интенсивности более 10ь Вт/см2 для пикосекундного предымпульса, опережающего основной импульс на 13 не. При использовании мишеней из дейтерированного пенополиэтиле-на с плотностью р = 10 ч- 40 мг/см3 выход нейтронов уменьшается при интенсивностях предымпульсов, превышающих пороги плазмообразо-вания на поверхности мишени.
5. Искажение спектра чирпированного лазерного импульса в процессе усиления приводит к уменьшению выхода нейтронов - продуктов ядерной реакции синтеза Б(г/, и)3Не.
6. В плазме, создаваемой пикосекундным лазерным импульсом с интен-
»о ^
сивпостью 2x10 Вт/см", генерируются электроны н у-кванты с максимальной энергией 7.5 МэВ, узконаправленные пучки протонов с максимальной энергией 5 МэВ и температурой свыше 100 кэВ, ионы с температурой 350 кэВ.
14 О
7. При взаимодействии интенсивных (2x10 1 Вт/см") пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования фотоядериых реакций 9Ве(у, «)2а, 181Та(у, я),80Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ
соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов Li(р, л)7Ве, 63Cu(p, rif ' Zn, 48Ti(p, n)48V с пороговыми энергиями для прогонов, равными 1.88 МоВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.
8. В плазме, создаваемой пикосекуидными лазерными импульсами умеренной интенсивности (около 1017 Вт/см2), генерируются сильные плазменные колебания с частотой со= (0.7-H.0)xl0I:> с*1, заметно меньшей частоты лазерного излучения.
Достоверность работы
Достоверность основных научных результатов подтверждается применением надежных методов диагностики атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме и апробированных вычислительных методов. Полученные в экспериментах данные там, где это возможно, сравнивались с результатами других авторов и известными теоретическими моделями. Все сравнения дали положительный результат.
Апробации работы и публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах в России в ФИАН, ИОФРАН, МГУ, ВНИИЭФ. Кроме этого, основные результаты представленных в диссертации исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных конференциях:
- XXVI - XXVIII, XXXIII, XXXIV Звенигородских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (1999, 2000, 2001, 2006 и 2007 г оды);
- American Physical Society Topical Conférence on Atomic Processes in Plasmas, USA, Reno, Nevada, March 19-23, 2000;
- V Международном симпозиуме по радиационной плазмодинамике, Москва, май 2000г;
20
- XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2001), Minsk, Belarus, June 26 - July 1, 2001;
- International Quantum Electronics Conference (IQEC2002), Moscow, Russia, 2002;
- XVII European Conference on Laser Interaction with Matter (ЕСГЛМ2002) Memorial to Nobel Price Winner, Academician N.G.Basov, Moscow, Russia, 2002;
-31th European Physical Society Conference on Plasma Physics, London, England, 28th June - 2nd July 2004;
- 32st European Physical Society Conference on Plasma Physics, Tarragona, Spain, June 27 — July 1, 2005;
- Fourth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2005), Biarritz, France.
По теме диссертации опубликовано 47 работ в реферируемых научных изданиях, в том числе 27 статей в отечественных и зарубежных научных журналах (из них 17 статей в изданиях, входящих в перечень, рекомендуемых ВАК) и 20 статей в сборниках и трудах конференций, а также более 50 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 247 страницах, включает 82 рисунка, 15 таблиц и списки литературы (по частям, общее число ссылок 211, включая пересекающиеся).
Личный вклад автора
Результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.
Автор активно принимал участие в выборе направления в целом. Ему принадлежит постановка задач и определение способов их решения. Разработка методик измерений, постановка экспериментов и их проведение,
21
обработка и анализ результатов проводились под руководством и при непосредственном участии автора.
Экспериментальные исследования выполнялись на модернизированной лазерной установке «Неодим», созданной под руководством начальника отдела ФГУП ЦНИИмаш Беляева B.C. В создании установки. «Неодим» 1 ТВт, мощности принимали участие сотрудники Института лазерной'физики Государственного оптического института (г. С.-Петербург). Модернизация лазерной установки «Неодим» с увеличением мощности лазерного излучения с 1 ТВт до 10 ТВт и увеличением интенсивности лазерного из-
17 7 I о
лучения с 10 Вт/см до 2x10 Вт/см" осуществлялась под руководством и при непосредственном участии автора. В разработке и создании системы диагностики лазерной плазмы принимали участие сотрудники НИИ импульсной техники (г. Москва). В проведении циклов экспериментальных исследований принимали участие сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва), ВНИИ физико-технических и радиационных измерений (г. Менделеево Московской области) и ФГУП ЦНИИмаш (г. Королев Московской области).
Автор принимал участие в теоретическом обосновании постановки экспериментов, в проведении теоретических оценок и интерпретации по-
I
лученных экспериментальных результатов.
В теоретических исследованиях принимали участие сотрудники Московского физико-технического института (Государственного университета) (г. Долгопрудный Московской области), Института ядерного синтеза Российского научного центра “Курчатовский институт” (г. Москва), Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва), Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (г. Москва), Объединенного института высоких температур (г. Москва) и ФГУП ЦНИИмаш (г. Королев Московской области).
Всем, принимавшим участие в выполнении работы, автор выражает свою искреннюю признательность.
22 '
О соотношении докторской - кандидатской диссертации
Кандидатская диссертация была выполнена и защищена в 1988 году в1 Московском физико-техническом институте на соискание ученой степени кандидата* физико-математических наук по теме «Методы молекулярное эмиссионной и лазерной спектроскопии в исследованиях, неравновесных газовых сред» ’
Представленная докторская диссертация не связана с кандидатской диссертацией никоим образом, в частности объектом работы и методами исследований. .
Содержание работы.
В первой главе приводится описание созданного лазерного комплекса для исследования атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, состоящего из пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт уровня, мощности; системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы..
Лазерная установка «Неодим» создана по хорошо известному принципу усиления чирпироваиных импульсов.и состоит из трех функциональных частей: стартовой системы, усилительного тракта и компрессора.
На выходе компрессора проводились измерения энергии, длительности, спектра, контраста импульса во временном диапазоне от 1 пс до 20 не и распределение излучения в ближней и дальней зонах. Система диагностики лазерного излучения состоит из измерителей энергии; автокоррелятора, спсктро-контроллсра, измерителей расходимости излучения, контроллера размера пятна фокусировки и измерителей величины контраста излучения для различных временных интервалов.
Генерируемое лазерное излучение установки “Неодим” характеризуется наличием предымпульсов двух типов: пикосекундной и наносекунд-ной длительности. Наличие первого предымпульса связано с многопроходным характером усиления в регенеративном усилителе и конечным